四轮驱动田园搬运管理机分动器的设计与仿真分析

刘建军，王孝鹏，陈志坚，刘玉西

(1.三明学院 机电工程学院，福建 三明 365004；2.福建省宇辰农林机械有限公司，福建)



四轮驱动田园搬运管理机分动器的设计与仿真分析

刘建军1，王孝鹏1，陈志坚2，刘玉西2

(1.三明学院 机电工程学院，福建 三明 365004；2.福建省宇辰农林机械有限公司，福建)

摘要：针对紧凑小机型的前后四驱车(机)的要求，以及输入轴和前、后输出轴的中心距较小，传动系中心相错开较远的无法实现前、后驱动，研发了并授权了新型专利--牙嵌式链条传动的分动器(CN201320708443.7)，对此我们进行了了相关的设计，并借助于ABAQUS软件建立四轮驱动田园搬运管理机分动器的有限元模型并对其进行动力仿真分析，考察第一接触力、第二接触力、第三接触力的应力特性.分析结果表明，第一接触力在接触的瞬间非常大，频率25Hz以下的振幅较大，在此频率范围内容易与其他系统发生共振，因此要在后期工作中对关键零部件进行优化；第三接触力有明显的间隔脉冲力，这主要时由于QS-3BY-9C1型号田园搬运管理机单缸四冲程发动机的不间断的点多所导致.

关键词：四轮驱动；田园搬运管理机；分动器；仿真分析

福建山地、丘陵占全省总面积的80%以上，素有“八山一水一分田”之称.山地丘陵面积有1 000万公顷左右，约占土地总面积85%，海拔一般较低，较便于开发利用.山地丘陵林业基础较好，现有林面积8 410万亩.福建省有比较优势的水果、食用菌、疏菜、茶叶等出口呈现良好的发展势头，累计出口46.5亿美元，占全省农产品出口总额的9成.对于这些优势作物来讲每年的运输成本(包括树苗、化肥、农产品等)达到作业成本的30%左右.2011 年农机化“十二五”规划指出：目前存在的主要问题是丘陵山区和薄弱环节机械化发展滞后.因此主攻薄弱环节机械化就成为“十二五”规划的重要指导思想[1].

目前市面上的一些中型前后四驱农用车辆，其分动器结构一般采用箱体，内部由输入花键轴、前、后输出花键轴、花键套和操纵机构组成，其外部结构由外箱体组合而成[2]，这种结构的缺点是：1、输入轴和前、后输出轴的中心距较小，无法实现前、后驱动传动系中心相错开较远的车子特性要求；2、由于箱体较大，空间占据也大，无法满足紧凑小机型的前后四驱车(机)的要求，限制了小机型四驱车(机)的市场开发.3、特别是无法满足农村、农业、农民的“三农”对田园搬运管理机小机型的实际需求[3].为此，我们进行了新型—牙嵌式链条传动的分动器的设计与仿真.

1设计要求与设计参数

1.1　设计要求

四轮驱动实现的核心就是分动器的设计，也就是要把发动机输出的动力经过变速箱减速增扭后传递给前驱动桥，因此需要增加一个分动器.分动器也是动力传动系统，它单独固定在车架上，其输入轴与变速器的输出轴相连接，分动器的输出轴可以有若干根，分别经万向传动装置与各驱动桥相连.对分动器的设计要求要满足以下几点：

(1) 便于制造、使用、维修以及质量轻、尺寸紧凑；

(2) 保证车辆必要的动力性和经济性；

(3) 换档迅速、省力、方便；

(4) 工作可靠.不得有跳档及换档冲击等现象发生；

(5) 分动器应有高的工作效率；

(6) 分动器的工作噪声低；

我们分动器设计的总体方案是分动器无差速器，从变速器输出的扭矩直接被传递到一个桥上.如果在行驶中，轮胎发生打滑时，就接通第二桥，两输出桥成刚性连接.

1.2　设计参数

本设计是根据宇辰农林机械生产的QS-3BY-9C型号“爬山虎”而开展的，设计中所采用的相关参数均来源于此种车型，具体参数如下所示：

最大输入转速：2 000 r/min；

最小输入转速：313 r/min；

发动机最大转矩 42 N·m

最高车速30 km/h

轮胎规格 6.00～12人字花纹

整备质量 990 kg

最大载重 1 655 g

主减速器传动比 5.125

分动器传动比1.00

输入最大转矩269 N·m

分动器的主要参数(中心距、链传动、轴径等)选择可按照变速器的参数选择计算公式进行.

2牙嵌式链条传动的分动器设计

我们申报并授权了新型专利—牙嵌式链条传动的分动器(CN201320708443.7).

如图1所示，它包括驱动主动轴1、驱动从动轴2、主动轴联轴器3、与主动轴联轴器3拆合连接的从动轴联轴器4、主动轴轴承5、从动轴轴承6、轴套7、用于与前传动轴总成31 连接的从动轴法兰8、与变速箱总成32 连接并被驱动的链条9、与链条9 配合的链轮10、控制从动轴联轴器4 与主动轴联轴器3 离或合的拨动装置；所述的驱动从动轴2、从动轴联轴器4、主动轴联轴器3、驱动主动轴1依序设置在轴套7 内，驱动从动轴2、驱动主动轴1 分别通过从动轴轴承6、主动轴轴承5 固设于轴套7 内，驱动从动轴2 与从动轴联轴器4 固定连接，主动轴联轴器3、驱动主动轴1 固定连接，驱动从动轴2 的另一端固设有从动轴法兰8，驱动主动轴1 的另一端固设有链轮10；在轴套7 与主动轴联轴器3 的外侧壁上设有通孔；拨动装置设置在轴套7 壁上并通过通孔延伸至轴套7 内与主动轴联轴器3 连接.链条9 被变速箱总成32 驱动的方式较多，例如在变速箱总成32上也设有链轮，链条设置在链轮上.

图1　牙嵌式链条传动的分动器

所述的拨动装置包括复位弹簧21、滑片22、固定螺栓23、滑动螺栓24、连杆25；轴套7 的外侧壁、沿从动轴联轴器4 至主动轴联轴器3 的方向上分别设有连杆、滑片22、复位弹簧21；滑片22 位于通孔外，在换片上设有沿从动轴联轴器4 至主动轴联轴器3 的方向的滑动孔，所述的固定螺栓23 穿过滑动孔将滑片22 进行限位，所述的滑动螺栓24 设置于滑片22 上且穿过通孔与主动轴联轴器3 连接.

工作原理如下：变速箱总成32 驱动链条9 转动，进而带动驱动主动轴转动，通过传动，带动驱动从动轴转动，由于与前传动轴总成31 连接的从动轴法兰8，且从动轴法兰8 与驱动从动轴固定连接，最终前传动轴总成被带动驱动.

我们针对牙嵌式链条传动的分动器进行了链传动、牙嵌式离合器、驱动主轴、轴承等主要零部件尺寸参数的选择和相关的设计计算.

3仿真分析

为了适应福建地区丘陵地带特征，三明学院与福建省宇辰农林机械有限公司合作研发的QS-3BY-9C1型号爬山虎为改进型四轮驱动.在高速机动性较好路面行驶时，采用后桥驱动；当进入田间作业及在丘陵地带行驶时采用四轮驱动.分动器在接入及传动过程中，结合、分离的瞬时冲击及不平衡的震动对传动轴的影响非常大，在长期的使用过程中容器造成应力集中、疲劳损坏等[4-5].为此对分动器进行多体动力学分析，把齿轮传动轴及接合器的冲击载荷提取出来对其进行分析验证[6-7].分动多体动力学模型如图2所示.

图2　分动器动力学模型

分动器主要包括输入轴、接合器及输出轴三部分.输入轴与前法兰盘施加接触约束，静态接触系数为0.1，滑移动态接触系数为0.3；法兰盘与地面之间用旋转副约束，在旋转副上施加驱动力为每分钟450转.接合器之间、接合器与输出轴之间施加接触约束，静态接触系数为0.1，滑移动态接触系数为0.3；输入轴、输出轴与四个滚子轴承之间施加旋转副，四个滚子轴承与分动器壳体直接施加固定约束；分动器壳体与大地之间施加固定约束.分动器模型共22个自由度.

法兰盘与输入轴之间为第一接触力，接合器之间为第二接触力；接合器与输出轴之间为第三接触力.旋转副4、5分别为输入轴和输出轴与滚子轴承之间的摩擦力.接触力及对应频谱图、旋转副摩擦力如图3～9所示.

t/s图3　第一接触力

f/Hz图4　第一接触力频谱图

t/s图5　第二接触力

f/Hz图6　第二接触力频谱图

t/s图7　第三接触力

f/Hz图8　第三接触力频谱图

t/s图9　旋转副4、5摩擦力

第一接触力在接触的瞬间非常大，频率25 Hz以下的振幅较大，在此频率范围内容易与其他系统发生共振，因此要在后期工作中对关键零部件进行优化；第二与第三接触力有间隔脉冲力，第三接触力尤为明显，这主要时由于QS-3BY-9C1型号爬山虎单缸四冲程发动机的不间断的点多所导致.旋转副摩擦力在接触的瞬间较大，在后期有间隔的小振幅脉冲，主要是由于在接触瞬间冲击力较大，小幅脉冲振动是由发动机的间隔点火震动及车身震动所导致.

4结论

本文针对紧凑小机型的前后四驱车(机)的要求，以及输入轴和前、后输出轴的中心距较小，无法实现前、后驱动传动系中心相错开较远的车子特性，研发了牙嵌式链条传动的分动器并获得国家专利的授权，专利号为CN201320708443.7.

同时对分动器进行了三维建模，并对其进行了相关的动力学分析，分析结论：第一接触力在接触的瞬间非常大，频率25Hz以下的振幅较大，在此频率范围内容易与其他系统发生共振，因此要在后期工作中对关键零部件进行优化；第二与第三接触力有间隔脉冲力，第三接触力尤为明显，这主要时由于QS-3BY-9C1型号爬山虎单缸四冲程发动机的不间断的点多所导致.旋转副摩擦力在接触的瞬间较大，在后期有间隔的小振幅脉冲，主要是由于在接触瞬间冲击力较大，小幅脉冲振动是由发动机的间隔点火震动及车身震动所导致.

参考文献：

[1]许修杰.吉林省社会经济发展代价探析——以十二五期间经济发展为例[J].吉林化工学院学报，2014,31(8):111-115.

[2]朱洪江，黄殿祺，胡子骧.汽车发动机缸壁的电接触加热淬火[J].吉林化工学院学报，1995(2):43-47.

[3]洪昊，王孝鹏，吴龙．基于ABAQUS的某农用车不等臂钢板弹簧有限元显式动力分析[J]．太原大学学报,2014(3):138-140.

[4]陈黎卿，郑媛媛，陈无畏,等.基于适应性重构的分动器设计系统开发[J].机械设计,2013(7):1-5.

[5]梁俊青,张莉.汽车分动器内部流场的数值模拟[J].农业装备与开发,2014,(6):61-62.

[6]钟健，曾建新.基机动车短时四轮全驱动前后独立轴输出分动器设计应用[J].装备制造技术,2013,(11):103+104-107.

[7]陈黎卿，张栋，陈无畏,等.基于流固耦合的分动器齿轮两相流动数值模拟与试验[J].农业工程学院,2014,30(4):54-61.

Simulation Analysis and Design of Transfer Box for Four-wheel

Drive Vehicles in Mountain and Hill Transportation Machine

LIU Jian-Jun1,WANG Xiao-Peng1,CHEN Zhi-Jian2,LIU Yu-Xi2

(1.School of Mechanical & Electronic Engineering,Sanming University,Sanming City 365004,China；2.Yu Chen Agroforestry Mechanical co.,LTD)

Abstract:The paper has developed the tooth type of chain transmission transfer (patent no.CN201320708443.7).It mainly solve the problem of small four-wheel drive machine that its structure is compact,and input shaft and front and rear Shafts output shaft of the center distance is small,and transmission system center is stagger far distance.First the transfer of structure has design,then establish finite element model of transfer box for four-wheel drive vehicles in mountain and hill transportation machine and carried on the dynamic simulation analysis by ABAQUS software,finally received at first contact force,the second contact force,stress of the third contact force characteristics.Analysis results show that the first contact force moment in contact is very big,25 hz frequency amplitude is bigger,in this frequency range is easy to resonate with other systems,thus to optimize the key parts in the later work.The third contact force has obvious interval impulse force,when this is mainly due to the QS - 3 by - 9 c1 model rural transport management machine more than single cylinder four stroke engines of uninterrupted points as a result.

Key words:four-wheel drive；rural transport machine；transfer gear；simulation analysis

文章编号：1007-2853(2015)11-0038-04

通信作者：*赵云伟，E-mail:jluzyw@163.com

作者简介：刘晓敏(1980-)，女，吉林省吉林市人，北华大学讲师，博士，主要从事机械设计及机器人等方面的研究.

基金项目：吉林省科技发展计划项目(20150520109JH)；吉林省教育厅“十二五”科学技术研究(20150158)；吉林市科技创新发展计划项目(201464043),(20156413)

收稿日期：2015-07-20

中图分类号：U 463.33

文献标志码：A DOI：10.16039/j.cnki.cn22-1249.2015.11.009