時變載荷下履帶車輛傳動箱振動響應(yīng)仿真*

張 政，馮廣斌，孫華剛，郝馳宇

（1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，石家莊 050003；2.解放軍38121 部隊，石家莊 050003）

0 引言

近年來，隨著液力綜合傳動技術(shù)在軍用履帶車輛傳動箱上的應(yīng)用，車輛動力性能得到了顯著提高，不過同時也帶來了不少亟待解決的問題。該傳動箱工作負荷大且耦合嚴重，造成其故障率較高，為了能夠在戰(zhàn)場上及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，通常采用振動測試對傳動箱運行狀態(tài)進行監(jiān)測［1-2］。但該傳動箱體積大、運行狀態(tài)復(fù)雜，其測點的選擇成為振動測試中有待解決的難題。

測點的位置通常選擇箱體表面振動響應(yīng)相對敏感的位置，而利用計算機仿真技術(shù)可以直觀、準(zhǔn)確地得到傳動箱運行過程中振動響應(yīng)，通過分析可以確定振動的敏感位置［3-4］。傳動箱運行過程中受力是隨時間不斷變化的，故只采用多體動力學(xué)仿真技術(shù)或者只通過有限元分析難以達到仿真的目的。

因此，本文以某型履帶車輛傳動箱為研究對象，構(gòu)建了利用RecurDyn、HyperMesh 和ANSYS 軟件為平臺的仿真分析方法［5-6］，對時變載荷下傳動箱的振動響應(yīng)進行研究，仿真過程及結(jié)果可為傳動箱振動測點的選擇提供參考和依據(jù)。

1 齒輪傳動系統(tǒng)虛擬樣機的建立

1.1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

該傳動箱主要由齒輪傳動系統(tǒng)和箱體兩部分組成。其中，齒輪傳動系統(tǒng)主要由前傳動、變速機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)等組成，其傳動簡圖如圖1 所示。

圖1 齒輪傳動系統(tǒng)傳動簡圖

系統(tǒng)動力由前傳動中的液力變矩器輸入，通過錐齒輪副傳遞到變速機構(gòu)，最終在轉(zhuǎn)向機構(gòu)的左右匯流排中的行星架上輸出。變速機構(gòu)的傳動軸上有5 個離合器，控制著系統(tǒng)動力的切斷與傳遞，不同離合器通過結(jié)合相應(yīng)的傳動齒輪，實現(xiàn)6 個前進擋和1 個倒擋的變速擋位。

1.2 虛擬樣機模型的建立

在Creo 中建立各零部件的三維實體模型，并對其進行適當(dāng)?shù)暮喕幚恚凑請D紙將各零部件進行裝配，并進行干涉檢查，裝配完成的三維模型如圖2所示。

圖2 齒輪傳動系統(tǒng)三維模型

將三維模型以parasolid 格式導(dǎo)入RecurDyn中，并對各零部件間的約束、接觸參數(shù)進行設(shè)置。本文不考慮離合器的結(jié)合過程，故將離合器進行簡化，以質(zhì)量點的形式固結(jié)在各傳動軸上。約束的添加需反映系統(tǒng)各部件實際運動情況，基于Hertz 接觸理論，接觸參數(shù)可通過計算和分析得到，其中剛度系數(shù)利用下式計算可得［7-8］：

式中，R1、R2分別為相嚙合兩齒輪嚙合點處的曲率半徑；E1、E2分別為兩輪間材料的彈性模量，μ1、μ2分別為兩齒輪材料的泊松比。

根據(jù)文獻［9-10］，阻尼系數(shù)取剛度系數(shù)的0.1%，動摩擦因數(shù)取0.05，靜摩擦因數(shù)取0.08。在Recur-Dyn 中完成相關(guān)設(shè)置后，齒輪傳動系統(tǒng)虛擬樣機模型如圖3 所示。

圖3 齒輪傳動系統(tǒng)虛擬樣機模型

1.3 模型準(zhǔn)確性的驗證

準(zhǔn)確的模型是仿真分析的基礎(chǔ)［11］，綜合考慮試驗平臺條件和可信度，選取輸出轉(zhuǎn)矩值作為模型準(zhǔn)確性驗證的指標(biāo)。

取發(fā)動機輸出的轉(zhuǎn)速為800 r/min（83.77 rad/s），選用step 函數(shù)進行設(shè)置，其表達式為step（time，0，0，0.1，83.77）。設(shè)置仿真時間2 s，步數(shù)為2 000 步，得到系統(tǒng)不同擋位下的仿真值。在輸入-輸出端利用轉(zhuǎn)矩傳感器（如圖4 所示）對不同檔位的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩值進行測量并記錄，將仿真值與試驗值進行對比，如表1 所示。

圖4 轉(zhuǎn)矩傳感器

表1 各擋位輸出轉(zhuǎn)矩對比

由表中的誤差分析可知，虛擬樣機模型輸出轉(zhuǎn)矩值與試驗值的誤差率為3%～7%，說明模型的準(zhǔn)確性較高，可用于系統(tǒng)進一步的分析。

2 箱體模態(tài)分析

2.1 箱體有限元模型的建立

利用模態(tài)分析可以確定箱體結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，是進行瞬態(tài)動力學(xué)分析的基礎(chǔ)［12］。在Creo中建立箱體的三維實體模型，并對其進行簡化處理，刪除一些對分析結(jié)果影響較小又占用大量計算機資源的小特征（包括小孔、倒角、圓角以及凸臺），將箱體模型以parasolid 的格式導(dǎo)入HyperMesh 中，選用solid185 實體單元對箱體進行網(wǎng)格的劃分，最終得到20 669 個節(jié)點和62 399 個單元。箱體材料為鑄鋁，其密度為ρ=2.65×103kg/m3，楊氏模量E=69 Gpa，泊松比μ=0.34。

利用rigids 剛性單元定義約束和載荷作用的位置，該箱體共建立12 個rigids 單元，其中3 個用于固定約束，9 個用于載荷的施加，在HyperMesh 中完成箱體約束的添加。

2.2 模態(tài)結(jié)果分析

選用Lanczos 法對箱體進行模態(tài)分析，在HyperMesh 中完成求解設(shè)置后，導(dǎo)入ANSYS 中處理并查看模態(tài)分析結(jié)果［13］。根據(jù)振動理論可知，結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)對振動的影響較大，高階模態(tài)影響較小可以忽略不計［7］。故取前6 階箱體的固有頻率和振型特征，如表2 所示，各固有頻率對應(yīng)的振型圖如下頁圖5 所示。

表2 箱體模態(tài)分析計算結(jié)果

圖5 箱體前6 階振型圖

由振型圖分析可知，在低階固有頻率范圍內(nèi)的箱體主要發(fā)生振動的部位有上箱體頂部、上下箱體結(jié)合部以及軸承支座處等位置。通過對箱體的模態(tài)分析，掌握了箱體的固有特性，為下一步結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)。

3 箱體振動響應(yīng)仿真分析

3.1 仿真分析原理

傳動箱在不同時刻的運行狀態(tài)是不同的，故箱體軸承座處所受的作用力是隨時間變化的，本文通過動力學(xué)求解得到軸承處的時變載荷曲線，并將采樣后得到的離散載荷序列作為軸承座處的輸入載荷，得到箱體在時變載荷下的振動響應(yīng)［14］，其過程如圖6 所示。

圖6 仿真分析流程圖

3.2 箱體振動響應(yīng)分析

3.2.1 時變載荷的提取

為了得到各軸承座處的時變載荷，本文在RecurDyn 中軸承處設(shè)置襯套力，用來體現(xiàn)各個軸承的支撐受力情況［15］，設(shè)置相關(guān)仿真參數(shù)，進行動力學(xué)求解。仿真時間為0.5 s，步數(shù)為2 000，得到了系統(tǒng)各軸承座處的時變載荷，圖7 為5 擋液力工況下，輸入轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、負載為1 000 N.m 時某軸承座處的時變載荷曲線。

圖7 軸承座處時變載荷曲線

3.2.2 箱體瞬態(tài)動力學(xué)分析

瞬態(tài)動力學(xué)分析用于確定承受任意隨時間變化的載荷結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)，通過瞬態(tài)分析，可以得到箱體在瞬態(tài)載荷作用下隨時間變化的位移、加速度以及應(yīng)力等其他導(dǎo)出量［11］。

將得到的各軸承座處的時變載荷離散化后，以表格的形式導(dǎo)入ANSYS 中，分別加載到對應(yīng)的rigids 剛性單元上，添加載荷后的箱體模型如圖8 所示，x、y、z 方向按照圖中坐標(biāo)軸定義（x 正向為箱體右側(cè)、y 正向為箱體上側(cè)、z 正向為箱體前側(cè)）。采用瞬態(tài)分析中的Full 法，對箱體進行仿真分析。

圖8 箱體有限元模型

3.2.3 結(jié)果后處理

在瞬態(tài)分析結(jié)束后，可以在ANSYS 通用后處理器中觀察時變載荷下箱體加速度云圖，其云圖的變化也具有一定的周期性。由于篇幅限制，選取部分具有典型意義的箱體加速度云圖進行分析。下頁圖9～圖11 分別為x、y、z 3 個方向的加速度分布云圖。

由圖分析可知：

1）在x 方向上，振動加速度敏感區(qū)域主要分布在箱體兩側(cè)匯流排軸承座附近、上箱體中后側(cè)部分以及下箱體中間區(qū)域。

2）在y 方向上，振動加速度敏感區(qū)域主要分布在后箱體大部分區(qū)域、箱體最下端兩側(cè)軸承座附近以及上箱體后側(cè)部分。

3）在z 方向上，振動加速度敏感區(qū)域主要分布在上、下箱體后側(cè)區(qū)域以及箱體最下端兩側(cè)軸承座附近。

綜上所述，通過瞬態(tài)動力學(xué)分析能夠得到該工況下傳動箱箱體振動加速度在x、y、z 3 個方向上的分布情況，且不同方向上的振動加速度敏感區(qū)域的分布存在差異。

圖9 x 方向加速度云圖

圖10 y 方向加速度云圖

4 結(jié)論

1）通過RecurDyn 建立了齒輪傳動系統(tǒng)虛擬樣機仿真模型，并利用試驗結(jié)果對其準(zhǔn)確性進行了驗證；利用HyperMesh 和ANSYS 對傳動箱箱體進行了模態(tài)分析，得到了箱體低階固有頻率及其相應(yīng)的振型。

2）將RecurDyn 中動力學(xué)求解得到的載荷結(jié)果，輸入到箱體有限元模型中，實現(xiàn)了RecurDyn、HyperMesh 和ANSYS 的有效結(jié)合，得到了傳動箱運行過程中箱體振動加速度敏感區(qū)域的分布情況，為其振動測試測點的選擇提供了參考和依據(jù)。