基于Pro/E的變速器柔性操縱機構(gòu)在裝載機上的應(yīng)用

基于Pro/E的變速器柔性操縱機構(gòu)在裝載機上的應(yīng)用*

錢久年

(上海鐵路局淮南貨運中心,安徽 淮南232001)

摘要：參照部分裝載機變速器操縱機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合人機工程學(xué)相關(guān)知識，基于Pro/E環(huán)境下設(shè)計的雙桿柔性遠(yuǎn)距離換擋操作機構(gòu)，模型形象直觀，結(jié)果提取方便，可直接轉(zhuǎn)換成工程圖，設(shè)計效果良好。

關(guān)鍵詞：變速器；Pro/E；柔性操縱機構(gòu)；設(shè)計

中圖分類號:文獻標(biāo)志碼：A

收稿日期：*2014-01-13

作者簡介：錢久年(1977-),男, 安徽蚌埠人, 工程師,主要從事鐵路裝卸機械管理方面的工作。

Application of Flexible Control Mechanism of Transmission in Loader Based on Pro/E

QIAN Jiu-nian

(HuainanCargoTransportationCenter,ShanghaiRailwayAdministration,HuainanAnhui232001,China)

Abstract:Referring to the structural parameters of loader transmission operating mechanism, and combining with the ergonomics knowledge, the double pole flexible remote shift operating mechanism is designed based on the Pro/E in this paper. The model is visual and intuitive, and the result is easily to be extracted and can be directly converted into the engineering drawing, thus the design method is effective.

Key words: transmission; Pro/E; flexible control mechanism; design

0引言

作為裝載機變速器控制機構(gòu)的操縱機構(gòu)，由駕駛者直接操縱，完成高速檔與低速檔的選擇和實現(xiàn)換擋或退到空擋的功能[1]，在設(shè)計中只是一個相對較小的裝置，但是它對裝載機正常行駛有著十分重要的影響，在設(shè)計時不但要考慮到結(jié)構(gòu)功能安全性方面要求，還需要考慮到舒適性方面要求，因此其在變速器的設(shè)計中占有重要的地位。作為變速器換檔操縱機構(gòu)的控制裝置，關(guān)系到裝載機能否正常行駛。設(shè)計一套合理、工作可靠的換檔操縱機構(gòu)是裝載機行駛不可缺少的一部分。近些年來，裝載機變速器操縱機構(gòu)有向著自動化操縱方向發(fā)展的趨勢。

1組成與原理

在某些裝載機上駕駛者座椅位置距變速器總成較遠(yuǎn)，有時駕駛室也需要翻轉(zhuǎn)，根據(jù)總布置要求，必須選用遠(yuǎn)距離操縱方案。裝載機變速器遠(yuǎn)距離操縱機構(gòu)包括外部操縱機構(gòu)和內(nèi)部操縱機構(gòu)兩部分。如圖1所示。外部操縱機構(gòu)用來實現(xiàn)對變速器的遠(yuǎn)距離操縱，包括從變速桿到選、換檔軸之間的所有傳動件；內(nèi)部操縱機構(gòu)保證擋位安全選擇及鎖定，包括選檔換檔軸、撥叉、撥叉軸、自鎖裝置、互鎖裝置和倒檔鎖等。柔性操縱機構(gòu)與一般的連桿機構(gòu)相比，具有零部件少、布置清晰；體積小、結(jié)構(gòu)較為簡單、重量輕；操縱靈活，易于調(diào)整；工作效率高，噪聲較低，較經(jīng)濟等許多優(yōu)勢[2-3]，因而獲得到裝載機制造廠和設(shè)計人員的青睞。在進行操縱機構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計難點在于要保證操縱機構(gòu)的正常工作或要能適應(yīng)駕駛室翻轉(zhuǎn)，在換檔過程中因駕駛員和換檔操縱機構(gòu)直接接觸，所以設(shè)計的換檔機構(gòu)必須考慮人機工程學(xué)的因素。

圖1　遠(yuǎn)距離操縱手動換擋變速器的工作原理圖

2設(shè)計方法

本次設(shè)計基于Pro/E提供了一個基于過程的虛擬產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計環(huán)境，采用自頂向下(Top-down)方法進行設(shè)計，利用Pro/E軟件工具構(gòu)建一個完善的Top-down設(shè)計環(huán)境，確定設(shè)計思想并進行總體布局，通過建立骨架來確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、安裝位置、空間位置，設(shè)計骨架模型并發(fā)布出版幾何，然后進行外部復(fù)制幾何，確定位置關(guān)系等，再進行各零部件設(shè)計[4]。目前，隨著裝載機CAD技術(shù)的發(fā)展，實際設(shè)計中多采用二維設(shè)計與三維設(shè)計相結(jié)合的方法進行裝載機的總體設(shè)計和各分系統(tǒng)的設(shè)計[5]。根據(jù)變速器操縱機構(gòu)特點確定設(shè)計特征順序，構(gòu)建骨架模型，并簡化特征類型，確定特征之間父/子關(guān)系，根據(jù)實際情況在設(shè)計中，參照選取原則依據(jù)“能選面不選線，能選線不選點”的進行設(shè)計。

3模型建立

確定設(shè)計方案為雙桿遠(yuǎn)距離柔性操縱機構(gòu)(5擋位變速器)，使用鎖銷式同步器換檔；操縱機構(gòu)中設(shè)有安全裝置(自鎖裝置、互鎖和倒檔鎖)，選用鎖球式互鎖裝置，倒檔鎖采用彈簧鎖銷式。圖2為設(shè)計完成的變速器雙桿遠(yuǎn)距離柔性操縱機構(gòu)。

圖2　變速器雙桿遠(yuǎn)距離柔性操縱機構(gòu) 1.操縱桿　2.選檔軟軸　3.換檔軟軸　4.撥叉　5.軟軸套

雙桿遠(yuǎn)距離柔性操縱機構(gòu)是利用一種推拉式軟軸代替剛性拉桿進行遠(yuǎn)距離操縱，此軟軸由芯軸和護套組成，其芯軸由增加了斜繞鋼帶的多根鋼絲組成，外護套由多根細(xì)鋼絲斜繞而成，與此同時增加有內(nèi)護管。也有的把斜繞鋼帶增加在外護套中以提高軟軸承載能力，但這種結(jié)構(gòu)會在一定程度上影響軟軸彎曲性能。此柔性機構(gòu)的操縱桿及支座總成一般布置在駕駛室地板上，其功能和雙桿剛性機構(gòu)中的操縱桿及支座總成類似，區(qū)別在于增加了軟軸支撐的設(shè)計，在其后部通過軟軸支架與變速器總成的選檔臂和換檔臂相連，來實現(xiàn)其操縱功能。

根據(jù)人機工程學(xué)要求提供的我國成年人人體的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，參照GB10000—88是1989年開始實施的我國成人人體尺寸國家標(biāo)準(zhǔn)，在布置操縱機構(gòu)時必須考慮駕駛員變換姿勢情況，適應(yīng)操作人員的正常人體結(jié)構(gòu)尺寸和生理要求[6]。這些人體數(shù)據(jù)為操縱機構(gòu)的合理設(shè)計提供了強有力的設(shè)計依據(jù)，本次操縱機構(gòu)的設(shè)計，依據(jù)人體尺寸數(shù)據(jù)，考慮操作人員的操作安全性和舒適性，參照目前國產(chǎn)某型貨車操縱機構(gòu)進行設(shè)計，設(shè)計中有的數(shù)值根據(jù)實物測量比較并進行修正獲得。圖3、圖4為根據(jù)人機工程學(xué)原理，考慮人體尺寸而設(shè)計的變速器的自鎖及互鎖裝置和鎖銷式倒擋鎖裝置，圖3(a)為原理圖，圖3(b)為設(shè)計的模型。

根據(jù)人機工程學(xué)要求，參考已成型操縱機構(gòu)，此次設(shè)計的前進檔的行程是13 mm ,變速器操縱機構(gòu)力的傳動比為7，操縱桿直徑為13 mm，操縱桿中間軸直徑為9 mm，進行剛度和穩(wěn)定性校核，均符合要求。在操縱過程中，不考慮變形, 手柄前進或后退時掛檔的運動行程均設(shè)置為91 mm；靜態(tài)換檔力為465 N，在不考慮摩擦、防塵套變形的情況，手柄操縱力設(shè)計為66 N；選取設(shè)計的操縱桿長度為360 mm；操縱桿前后運動范圍的角度設(shè)置為20°；左右運動范圍的角度設(shè)置為15°。在此次設(shè)計中選取的換檔搖臂長度80 mm；換檔力矩15 N·m；選檔搖臂長度設(shè)置為80 mm ；換檔力矩25 N·m；換檔搖臂前、后運動最大角度設(shè)置為25°；選檔搖臂向前運動最大角度設(shè)置為20°，向后運動最大角度設(shè)置為15°。圖5、6為設(shè)計的操縱桿模型。

圖3　變速器的自鎖及互鎖裝置 l.定位鋼球　2.定位彈簧　3.撥叉軸　4.互鎖頂銷　5.互鎖鋼球(或互鎖銷)　6.變速器蓋

圖4　鎖銷式倒檔鎖裝置 l.變速桿　2.倒檔撥塊　3.倒檔鎖彈簧 4.倒檔鎖銷　5.鎖銷鎖片

圖5　操縱桿模型　　　　　圖6　操縱桿

根據(jù)總布置要求和變速器操縱機構(gòu)已確定的位置關(guān)系，進行各個零件設(shè)計，圖6～17為設(shè)計的各零部件模型。

圖7　1檔、倒檔撥叉　　　　　圖8　2、3、4、5檔撥叉

圖9　2、3檔撥叉軸　　　　圖10　1、倒檔撥叉軸

圖11　2、3、4、5檔撥塊　　　　　圖12　倒檔鎖撥塊

圖13　倒檔鎖彈簧　　　　圖14　倒檔鎖銷

圖15　倒檔鎖銷鎖片　　　　圖16　選檔軟軸

圖17　換檔軟軸

4優(yōu)化分析

變速器柔性操縱機構(gòu)建模完成后，進入Pro/E中運動仿真模塊，根據(jù)已知參數(shù)定義驅(qū)動器和仿真運動參數(shù)[7]，建立工作裝置運動模型，檢測操縱機構(gòu)的運動干涉工作情況，在Mechanism中定義各擋位的參數(shù)，這樣能夠直接觀察到操縱機構(gòu)的運動情況，檢查運動件之間的干涉情況，利用Pro/E行為建模里的靈敏度分析可對得到各個尺寸進行優(yōu)化結(jié)果分析、計算，進行優(yōu)化設(shè)計，當(dāng)系統(tǒng)在提示“此部件優(yōu)化成功”后，點擊“確定”，最終可以確定出變速器柔性操縱機構(gòu)的最終尺寸。

5結(jié)語

基于Pro/E的變速器遠(yuǎn)距離柔性操縱機構(gòu)設(shè)計，通過Pro/E建模并進行優(yōu)化分析，能快速得到優(yōu)化后的變速器操縱機構(gòu)模型，設(shè)計出符合要求的變速器操縱機構(gòu)，此法簡便、快速，設(shè)計的模型形象直觀，結(jié)果提取方便，且能直接轉(zhuǎn)換成工程圖，采用Top-down方法設(shè)計的模型符合現(xiàn)代裝載機設(shè)計的發(fā)展趨勢。

參考文獻：

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