混凝土搅拌运输车减速器的设计与分析.pdf

MP a ， 也出现在提钻过程 中。 上述结论为全面分析旋挖钻机钻挖支撑系统性 能提供了理论依据， 为旋挖钻机的实际应用提供了 参考依据， 同时为旋挖钻机的进一步研究提供了理 论支持 ， 为钻挖支撑系统动态设计技术及运行情况 的虚拟仿真问题求解开辟了一条新的途径 。 参考 文献 1 】 张启君对开发旋挖钻机的几点看法( 2 ) 【 J 】 工程机械 ， 2 0 0 5 ( 9 ) ： 5 1 5 3 2 叶远林， 秦四成z Y 一 2 0 0型旋挖钻机钻杆应力的有限 元分析【 J 】 工程机械， 2 0 0 4 ( 3 ) ： 1 5 1 7 3 】 何晓艳 N R 2 2型旋挖钻机钻挖支撑机构有限元分析 【 D 】 长春： 吉林大学， 2 0 0 6 4 姚宗敏N R 2 2型旋挖钻机桅杆有限元分析【 D 】 长春： 吉林大学， 2 0 0 6 5 秦荣荣 ， 崔可维 机械原理【 M 】 长春： 吉林科学技术出 版社 ， 2 0 0 0 6 ( 美) M s c S o f t w a r e 著刷俊文， 陶永忠译 MS C D A MS V i e w高级培训教程嗍 j E 京： 清华大学出版社， 2 0 0 4 通信地址： 吉林大学南岭校区机械科学与工程学院( 1 3 0 0 2 5 ) ( 收稿 日期： 2 0 0 8 - 0 1 1 5 ) 混凝土搅拌运输车减速器的设计与分析 重 庆 大 学 机 械 工 程 学 院 罗绍华温彤侯模辉 重庆凯瑞特力汽车零部件有 限公司 谭泽焕 摘要： 完成了混凝土搅拌运输车减速器三级减速系统的设计方案， 确定了减速器的结构图和各级 齿轮参数， 建立了相应的虚拟样机模型。利用软件 MS C A D AM S和 A L G O R对虚拟样机进行运动与动力 仿真分析， 首先简化减速机模型， 然后划分网格， 完成材料和边界条件等参数的设置 ， 最后得到模拟输出 转速、 第二级行星齿轮的受力状况、 减速器机体的前 4阶模态分析和第二级行星架受载后的应变结果 ， 并对给定条件下的测量结果进行参数优化， 从而缩短了产品开发周期， 提高了工作效率， 降低了成本。 仿 真结果与装车实测值比较吻合，证明混凝土搅拌运输车减速器的设计和运动与动力学仿真分析是可靠 的， 该减速器完全可以用于装备混凝土搅拌运输车。 关键词： 减速器行星齿轮传动运动与动力学仿真 减速器是混凝土搅拌运输车的核心部件，其工 作原理是将液压马达输出的转矩，通过减速器平稳 可靠地以一定转速传递给搅拌筒，对混凝土进行搅 拌； 卸料时， 减速器反转， 混凝土被筒内螺旋叶片搅 动 ， 均匀卸出。 这种专用减速器在外形上与传统的减 速器有较大差别 ， 要求产 品外观简洁 、 体积小 、 维护 简便， 而且由于属于重载、 慢速传动系统， 工况恶劣， 运行中易产生振动、 抖动和卡滞现象 ， 因此在产品的 动态特陛、零部件 的强度和刚度 以及制造精度等方 面要求很高【” 。 近年来国内对混凝土搅拌运输车的需 求高速增长，但大部分国产搅拌运输车仍然采用国 外的减速器产 品。 本文完成了某型号减速器方案的设计，应用相 关软件对该减速器结构的运动与动力学进行了仿真 分析 ， 并根据分析结果优化和检验了设计方案。 1 混凝土搅拌运输车减速器的设计 1 1 主要参数 混凝土搅拌运输车搅拌筒 ( 罐)的设计容积为 8 1 0 m ， 最大安装角度 1 2 。， 工作转速 2 4 r m in 和 1 01 2 r mi n ( 卸料时 的反 向转速 ) ； 减速器设计 传动比 1 3 1： 1 ， 最大输出转矩 6 0 k N m， 要求传动 效率高、 密封性好、 噪声低、 互换性强。 1 2结构设 计 图 1 为所设计的减速器虚拟样机模型，主要包 括前盖组件、 被动轮组件、 第一级行星轮总成、 第二 级行星轮总成、机体中部组件和法兰盘组件 6大部 分。 机体间采用螺栓和销钉连接与定位， 机体与内齿 圈之间采用弹性套销的均载机构。为便于用户在使 用 时装 配与拆卸 ，减 速器主轴线与安装 面设计有 一 31 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l ll 0 0 零鼹娥舞j 0 潭 期 图1 混凝土搅拌运输车减速器虚拟样机模型 1 5 。的倾角，法兰盘轴线可以向 、 y和 z方向摆 动 - 1- 6 。 ， 并选用专用球面轴承作为支承。 轴承装入行星轮中， 弹簧挡圈装在轴承外侧且 轴 向间隙O 2 m m， 减速器最大外形尺寸 4 6 7 t n n q_ 4 6 0m i l l 5 3 0m m， 总质量( 不含油) 为 2 9 0 k g 。 l - 3 传动系统设计 该减速器采用 3级减速方案 ， 第一级为高速 圆 柱齿轮传动， 其余两级为 N G W型行星齿轮传动。 其 中， 第二、 三级分别有 3 个和 4个 中空式行星轮 ， 行 星轮安装在单臂式行星架上 ， 行 星架浮动且采用滚 动轴承作为支承 ； 第二级行星架与法兰盘之 间采用 鼓形齿双联齿轮联轴器连接， 机动示意图和结构图 分别如图 2和 3所示。 混凝土搅拌运输车减速器对齿面接触疲劳强 度 、齿根弯曲疲劳强度和齿 面磨损等要 求十分苛 刻 ，因此合理地选择变位系数和进 行修形计算十分重要。表 1 为减速 器的各级齿轮参数。 2 减速器的仿真分析 2 1 刚性体与动力学分析 利用具有强大动力学仿真和后 处理能力的 A D A M S软件进行分析 2 1 。减速器运动仿真分 3 级设计， 分 步完成圈 ， 对模型适当简化后 ， 施加 约束和设置参数。如啮合齿之间采 用 I m p a c t 体碰撞接触函数， 输人齿 轮转 速驱 动采 用 阶跃 函数 S T E P 5 3 2一 图 2 减速器传动原理简图 输 出 l 2 3 4 5 6 1 。 输入齿轮 2 一级行星轮 3 前盖内齿圈 4 二级行星轮 5 机座 6 。 法兰盘 7 球面轴承 8 二级行星架 9 二级行星齿圈 1 0 二 级太阳轮 1 1 一级行星架 1 2 一级太阳轮 1 3 被动齿轮 图 3减速器 结构 图 表 1 减速器各级齿轮参数 零件 齿数 模数 压力角 变位 齿根圆 齿顶圆 名称 mm ， ( 。) 系数 直径 m m 直径 mm 输入齿轮 3 4 2 5 2 0 0 5 2 8 1 9 2 4 2 被动齿轮 6 7 2 5 2 0 0 2 1 5 1 6 2 3 1 7 3 。 4 一 级太阳轮 l 3 3 2 0 0 5 8 6 3 5 2 2 4 7 8 8 一 级行星轮 5 2 3 2 0 0 5 l 9 4 l 5 1 6 1 6 4 4 8 前盖内齿圈 l l 9 3 2 0 0 5 2 3 5 4 9 3 4 2 二级太阳轮 1 4 4 5 2 0 0 9 4 5 6 0 5 7 9 4 4 二级行星轮 3 l 4 5 2 0 0 2 7 3 1 3 0 5 1 4 9 5 二级行星齿圈 7 8 4 5 2 0 0 3 2 09 3 6 6 2 6 3 4 6 9 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 嘲 l 。 _ j _ l l_ 0 0 00 0000 ( t i m e ， 0 ， 0 D， 0 2 ， 9 6 0 0 D) 。负载时， 法兰盘施加转矩 ， 形成为 s T E P 5 ( t i m e ， 0 ， 0 ， 0 2 ， 6 0 0 0 0 ) 。 2 1 1 空载下的运动分析 图 4 为在上述输入条件下的计算与测量结果 ( 虚线为输入 ， 实线为输出) 。由图可见 ， 法兰盘转速 的计算值为 n = 一 6 8 2 9 8 。 s ( 均值) ， 实测值为 一 7 0 。 s ， 相差 2 5 ， 证明传动设计和分析是正确的。 时 I司S 图 4输入和输出转速 一时问曲线 在 0 0 2 s 之间， 液压马达瞬间启动， 减速器齿 轮传动受到很大的冲击， 正反方向振动。 在 0 2 s 后， 输出速度 曲线表现为周期性波动 ，主要受啮合过程 中的脉冲力、碰撞力参数设置和运动约束简化的影 响。实际工作时， 受工况、 制造和安装等多方面因素 的影响 ， 其波动会更复杂 ， 周期更短 。 2 1 2 负载下的运动分析 图 5 所示( 虚线为行星轮齿， 实线为太阳轮齿) ， 42 E + 0 0 6 4 & 娩睡+ 0 0 5 4 图5 第二级行星齿轮启动瞬间受力图 装满料启动运转瞬间，第二级太阳轮齿和行星轮齿 都 分别 承 受 峰值 载荷 ，其值 分别 为 1 7 6 9 k N和 8 2 4 1 k N， 均方根值分别为 5 8 8 k N和 2 7 0 3 k N。行 星齿轮瞬间受力很大， 其轴承强度是关注的重点； 浮 动太阳齿制造时， 表面强度 5 8 6 4 H R C ， 并进行强 力应力喷丸处理。 2 2 柔性体与动力学分析 利用通用有 限元分析软件 A L G O R t4 1 ， 对减速器 机体和第二级行星架 C A D模型划分网格， 完成材料 和边界条件等参数的设置， 然后分析和优化结构。 表 2 为机体前 4阶模态分析结果 ，其固有频率 均高于齿轮传动和新拌混凝 士的激振频率 2 54 0 H z ， 避免 了共振破坏。 表 2 减速器机体前 4阶模态分析结果 阶数 固有频率 Hz 周期 ， s 注释 1 7 4 4 1 5 E + 0 1 1 _ 3 4 3 8 E - 0 2 绕 y轴弯曲 2 8 6 2 1 2 E + 0 1 1 1 5 9 9 E 一 0 2 绕 Z轴扭 曲 3 1 2 2 9 4 E + 0 2 8 1 3 4 3 E - 0 3 绕 z轴弯曲 4 1 6 1 7 4 E + 0 2 6 1 8 2 9 E - 0 3 各方向弯曲与扭曲 机体第 4阶振型如图 6 所示，结构在各个方向 均出现了大范围的弯曲和扭转， 中部变形最大。 由于 减速器属于倾斜机构， 整个质量中心偏于机体前部， 强度与刚度不够 。优化方法 ：支承肋 的厚度增大至 1 6 mm， 机体后部两支承肋成 1 6 5 o夹角 ， 支承肋 向 机体前面移动到 4 0 mm。 图6减速器机体第 4阶振型 减速器第二级行星架 在 1 5 s 时应变分析如 图 7 所示， 由于行星架在负载时承受很大的力矩， 心轴 在离心力、 圆周力等作用下发生塑性变形， 而变形量 一 3 3一 加 ：呈 吡 吡 吡 咖 啪 咖 啪 咖 啪 咖 啪 咖 啪 咖 啪 咖 m 咖 啪 咖 m 咖 啪 伽 9 9 8 8 7 7 5 5 5 5 4 4 3 3 2 2ll 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 & 龟 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ? # _ g 氍 鬻 鬻 罄 j 鼹 鬣 j I i 0 0 0 l 00i 誊 雕 季 7 ： 富 一 ：=” 优 为 10R 曲 讲 后府蛮椰 女信 0flSfi44 rnrn昂 l 翘 = 然存 工稗 卜县可 以棒詈 的 皿 答 一 混凝 ： 土搅拌 运输车诲 e 速器的运行工况恶劣 ， 其 b 和靛 造要求； 艮 高。和 用运动学 与动力学仿真救 目 _ _ 龋 对减i 器的 ： 作状态i 生 行预测与检验 ， 对设计 l 秘 ，醋 H -缩 翱r 旦 耳 擘 罔 蝴密 赫 和 倍 赫 肚 it t 7 第二级行一变分 析 矍 ， 享 偏大又会影响行星轮间的载荷分配和传动装置的承 均符合要求( 见表 3 ) 。成功开发的该减速器完全司 载能力。 改进方法为： 心轴与行星架的过盈配合改为 以用于装备混凝土搅拌运输车。 整体铸造；心轴直径与轴承配合的长度比值由0 9 5 表 3 参数对 比表 生产厂家 罐体容量 ， m 发动器转速 ( r ra i n 1 系统压力 MP a 工况 Z F 9 1 0 o O 78 装料过程 中 霾 l B 0 N FIG L10 U 9 50 o 80 o 5 6 装 料 过 程 中 l 本 方 案 9 5 0 o 8 0 o 5 6 装 料 过 程 中 憾 鬻攀 毒 棼 1| 0 _ 矗 强 l l毫 | 尊 舞 弧 鹾 照 甍 鏊 妻 誊 誓 | 0 叠 - 冀 l 。 靠 。 - ： 臻 一 五 矗越 篷 蕾 | i 燃 i g 醯 黝 瀚 l 黑 g - 一 - 3 4- 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m