基于可靠性机械传动铰接车分动箱设计分析

张鉴隆，叶立清，黄晓明，邝 芸

（广东岭南职业技术学院，广东 广州 510663）

1 引言

国内现有的铰接车大部分采用采埃孚、艾利逊等国外品牌的变速器或分动箱产品，其技术成熟且性能可靠的优势不容置疑，但高昂的成本却直接限制了铰接车在国内市场的普及与应用[1]，国内相关技术与研究储备不足，因此，开发一款可靠性高、性能全面且成本上具备优势的分动箱设计方案不但能够填补国内空白，积累初期的设计研发技术资料，而且有利于做大国内铰接车市场，拥有较强的实用意义与广阔的发展前景。

针对分动箱可靠性设计，国内外学者取得了一定的成果：文献[2]基于传统设计法中的安全系数和结构破坏概率之间的内在关系建立的理想数学模型，即应力—强度干涉模型，对分动箱可靠性分析模型初步建立；文献[3]通过对分动箱传动系统零部件多种潜在失效模式及其对系统功能的影响，以及后果的严重程度进行分析；文献[4]基于公理化设计，分析分动箱性能需求与各个设计参数间之间的关系；文献[5]对传动系统模块组件进行分解，功能需求与质量指标进行划分，分析可靠性与相关参数之间的关系。

针对铰接车运行特点，设计一种具有高低档位变换、前后输出端差速及锁止功能的机械传动铰接式自卸车的分动箱。以可靠性为主要设计目标，结合整车性能需求，通过对分动箱结构解析、行星齿轮传动的参数化和离合器尺寸设计，以及分动箱系统可靠性建模仿真，创新设计行星齿轮系与锁止离合器相结合的变速结构，实现分动箱高低档位的切换，遵循结构同一性原则，差速锁止功能同样由离合器结构实现。采用Romax对传动系统进行可靠性寿命分析，以验证整体方案的运行工作特性。

2 分动箱传动方案及设计

2.1 分动箱传动方案

所研究分动箱优化设计前后结构原理，如图1所示。原设计能够实现输入转矩的增大与分配、前后输出端差速等功能，能够满足基本的运行需求，但简单的结构也决定其不能实现更多实际中迫切需要的性能[6]，如图1（a）所示。优化后分动箱传动原理图，如图 1（b）所示。

2.2 分动箱传动比确定

整车性能曲线使用Matlab软件绘制，发动机转矩函数可通过对数据特征点进行五次拟合得到。参照市场中同级别铰接车产品的动力性与经济性[7]，按比例计算可得分动箱低档位与高档位传动比之比数值约为1.4左右，分别试取传动比为1.2、1.3、1.4、1.5、1.6五组数值绘制整车牵引力特性曲线，选择最佳低速档取值或其范围。分动箱低速档位不同传动比设置下的整车牵引力特性曲线，如图2（a）、图2（d）所示。其中两条蓝色竖线为对应整车空载与满载质量的牵引力标定线，红色横线为对应整车爬坡度的阻力标定线，蓝色斜线为不同爬坡度下的阻力基准线，配合蓝色竖线查阅。可以看出传动比选择越小整车爬坡能力越弱且最高车速越高，传动比选择越大整车爬坡能力越强且最高车速越低。

图2 分动箱低速档位不同传动比设置整车牵引力特性曲线Fig.2 Different Transmission Ratio Set Vehicle Traction Characteristics Curve

对比牵引力特性曲线，主要参考点为25%坡度爬坡速度、最大爬坡度估计值以及后备功率估计值。要求整车最高车速至少能达到38km/h性能要求[8]。如图可知（1.3～1.5）传动比范围的曲线较为符合整车性能要求，同时通过Matlab进一步计算可以得到符合要求的分动箱低档位传动比选择范围约为（1.33～1.47），因此下一步设计应为选择合理的传动布置方案以将分动箱低档位传动比控制在此范围内。

2.3 分动箱关键系统部件设计

在新方案原理图基础上设计分动箱总体装配图，如图3所示。

图3 分动箱新方案传动装配Fig.3 Schematic Diagram of the New Assembly Drive Assembly

2.3.1 行星齿轮系

分动箱变速行星齿轮系各齿轮设计参数列表，如表1所示。依据表中数据对各齿轮进行接触与弯曲强度校核。

表1 分动箱变速行星齿轮系齿轮参数Tab.1 Gearbox Gears for Variable Speed Planetary Gears

2.3.2 离合器

分动箱设计的离合器结构选用摩擦盘式离合器，静摩擦力矩 Tc为

摩擦盘构造一般为环形，对摩擦面作用半径进行微积分计算可得摩擦片的平均摩擦半径为

当摩擦盘内径与外径比值d/D≥0.6时，摩擦片摩擦半径为：

而摩擦面承受的单位压力为：

将式（4）与式（3）代入式（2）得：

式中：c—摩擦片内、外径之比=d/D。

设计时Tc应大于输入端的最大转矩，即：

离合器结构形式和摩擦片材料确定[10]，输入转矩T输入已知的前提下，结合式（5）和式（6），适当选取后备系数β和单位压力p0，可计算摩擦片外径估算值：

本分动箱离合器采用湿式摩擦盘式离合器，此结构离合器具有磨擦因数小、磨擦片数多、单位压力大、散热性能好的特点，具有较为稳定的工作性能与可靠性。

3 分动箱建模分析

使用Romax对分动箱传动系统进行建模能够完成对整体传动系的动力系统仿真。

3.1 分动箱齿轮可靠性设计

首先研究差速行星齿轮系的行星齿轮受力情况，差速行星齿轮的各档位接触应力、弯曲应力及相应的安全系数，如图4（a）～图4（c）所示。在变速箱第1档位分动箱受力最大。

图4 分动箱传动系差速行星齿轮全寿命仿真Fig.4 Life Cycle Simulation of Differential Planetary Gears

变速行星齿轮系的行星齿轮受力情况，如图5（a）～图5（c）所示。变速行星齿轮的各档位接触应力、弯曲应力及相应的安全系数，在变速箱第1档位时，行星齿轮承受最大载荷，但其受力状态好于差速行星齿轮，由于其受力状态同差速行星齿轮类似，总体看来变速行星齿轮受力状态优于差速行星齿轮。

图5 分动箱传动系变速行星齿轮全寿命仿真Fig.5 Full Life Simulation of Variable Speed Planetary Gears

3.2 分动箱轴承可靠性设计

对分动箱传动系统Romax模型进行全寿命仿真，变速行星齿轮轴承各档位损伤比，如图6所示。

图6 变速行星齿轮轴承各档位损伤比Fig.6 Shift Gear Bearing the Gear Damage Ratio

由数据可以看出第1档位对轴承造成的损伤贡献了整个损伤比的60%，因此可知变速行星齿轮轴承的损伤主要由于低档位大扭矩。

4 结论

机械传动铰接车因其运行环境恶劣、工况复杂多变的特点，传动系设计需考虑载荷重、冲击大等特性，因此对分动箱传动系统的可靠性设计意义重大。结合铰接车实际运行工况，确定载荷分布规律，针对整车性能需求对分动箱改进前方案进行合理改进，完成分动箱新方案的整体可靠性设计，结果可知：（1）创新使用传统的安全系数法与可靠性评价指标结合的设计方法对分动箱变速与差速行星齿轮系、离合器等关键零部件进行可靠性设计，在保证系统可靠运行的前提下，尽量减小分动箱整体尺寸、转动惯量等参数，提高其经济性指标；（2）对分动箱传动系统进行Romax虚拟样机模型的建立，通过工况运行验证了模型的正确性，并对齿轮与轴承进行仿真分析，验证了齿轮参数与轴承型号的选择满足设计要求。