基于行驶仿真试验的行星减速机动力学仿真

摘要：行星减速机在设计阶段采用的静强度设计理论，由于无法反映其在工作过程中所承受的动载荷，导致实际使用中故障较多。要想从根本上解决造成这种现象的原因，必须确定在不同任务剖面下行星减速机所承受的动栽荷。传统载荷确定方法存在很大的局限性，随着计算机仿真技术在各行各业中的广泛应用，本文对不同任务剖面下进行行驶仿真试验，并在此基础上对行星减速机进行动力学仿真，获得不同任务剖面下行星减速机各零部件所承受的动载荷，并从疲劳损伤累积理论入手分析了在承受交变载荷情况下的最大应力远远小于设计最大应力很多倍的情况下，仍然会发生疲劳破坏的原因本文以行星架为例提供了在不同任务剖面下其所承受的动载荷，为进行疲劳强度计算和寿命预测提供了重要的载荷参考数据。关键词：动力学 仿真 动载荷 虚拟样机 行星架引言 在现代汽车、坦克、自行火炮、工程机械和履带车辆等机械传动设备中已经较广泛的应用了行星减速机。行星减速机与普通的减速机构相比，具有结构紧凑、尺寸小、重量轻、传动比大、传动效率高、承载能力大等优点[1]。据调查，某履带车辆中的行星减速机在使用过程中出现的裂纹、断裂故障较多，严重影响了整个系统的可靠性和安全性。而且据了解，绝大多数的使用单位仅仅从维修方面来保证行星减速机的可靠性，也就是出现故障就拆开整个机器进行维修，严重的影响了工作及生产任务的完成。但是这并不能从设计本身，也就是从根本上解决此类故障的再次发生。据对行星减速机设计单位的调查，行星减速机在进行设计研究的时候，缺乏准确的载荷资料，只是根据设计者的经验和积累的资料采用静强度理论进行设计，设计零部件的安全系数一般都取得偏大，但是静强度设计理论无法反映行星减速机在工作过程中所承受的动载荷，因此无法在设计阶段就准确确定零部件的寿命据统计，承受动载荷而疲劳破坏的零件在汽车上多达70%以上[1]。因此，在设计和强度计算阶段，除了采用先进的设计方法和准确的计算公式以外，确定所设计零件的真实载荷是一项基本而重要的工作。由于动载荷的大小和特性受到路面情况、使用条件、整个机器及其零部件的结构参数等多项因素的影响，因此研究和确定行驶系载荷是一项很复杂的工作。在我国，对车辆行驶系随机载荷确定的研究工作尚属于不成熟阶段，因此这方面的数据资料积累较少。而传统的载荷确定方法有试验测定法和数学分析法[1]，这些方法采用在全部行驶工况下实测载荷的方法，从理论上讲所得到的资料固然比较可靠，但试验周期长，数据处理工作繁重，耗资大，效果慢，需要巨大的人力物力资源的密切配合，这就导致许多使用单位不进行这些试验就投人生产使用，导致在使用过程中出现故障较多、寿命无法预测的现象。 随着多体动力学和计算机软硬件的发展及虚拟样机技术的出现，使进行整体机械系统的动力学仿真成为可能[4]。本文在行驶仿真实验的基础上，提供各种不同行驶路面上某行星减速机各零部件所承受的动载荷。在此基础上，基于MSC．ADAMS平台上建立了行星减速机的虚拟样机模型，基于行驶仿真试验基础上对行星减速机进行动力学仿真，提供不同行驶路面下行星减速机各零部件所承受的动载荷，为失效原因分析和零部件的疲劳强度设计及疲劳试验提供可靠的载荷数据[2]。1基于行驶仿真试验的动力学仿真分析流程图 随着计算机技术的发展以及建模手段和仿真水平的提高，虚拟样机技术为机械系统性能分析和评估提供了新的手段。工程研究人员利用虚拟样机技术可以对机械系统建立虚拟样机，模拟其在真实环境条件下的运动和受力，可以对机械系统的整体动态特性进行分析和评估。目前，虚拟样机技术已成功运用于机械制造、航空和航天等领域，取得了可喜的成绩[2][4]。 我们将虚拟样机技术与动力学仿真分析相结合建立行星减速机虚拟样机模型，并且结合履带车辆的行驶仿真试验，通过建立不同行驶工况的路面谱，确定选择车辆地面力学模型，从而赋予合适的物理参数，可以较真实的反映行星减速机内部的受力，大大提高履带车辆动力学分析的准确度与可信度，加速新产品及改良产品试验过程，减少研制费用。同时，由于仿真技术具有无与伦比的方便性和灵活性，这种研究方法突破了传统的分析模式，可以进行物理样机无法进行的各种极限条件下的试验，这对改善履带车辆的试验条件、完善试验手段、减少试验费用、提高试验效率和提高研制水平等都具有极其重要的意义。 基于行驶仿真试验基础上的行星减速机的动力学仿真分析应用到行星减速机的再设计的流程图如图1所示。2行星减速机虚拟样机的建立2．1行星减速机的工作原理 本文所介绍的行星减速机采用了2K—H（A）型行星减速装置（如图2所示），此机构通常被称为单元行星齿轮机械或简称行星排[3]。 图2所示的2K—H（A）型行星排的转速方程为 2K—H（A）型行星排具有3个基本构件：太阳齿轮a、内齿轮b和行星架，如果知道了其中输入件和制动件的具体情况，则可得出传动比计算公式。本文所讨论的行星减速机为内齿轮b被制动，即n=0，太阳齿轮a输入和行星架输出（见图2）的传动形式，则其运动学方程为 则得其传动比计算公式为 2．2行星减速机实体建模 根据图1所示流程图所示应该首先建立本文讨论的行星减速机的各零部件的三维实体模型，并对各零部件进行组装，形成各级子装配并最后进行总装配建模的过程中应注意的问题如下： （1）模型简化 尽管行星减速机模型中的许多小部件不可忽略，但如果每个部件都加以考虑也是十分不现实的，例如一些密封的元器件，在动力学仿真中不必考虑的这些问题都可以在进行建模的过程中省略掉，以减小模型的大小和在进行动力学仿真时节省时问，在建立模型时对易损件和难修件进行了侧重。 （2）三维实体模型物理特征及参数的确定 对所建立的行星减速机的三维实体模型进行物理特性及参数的验证，以保证三维实体模型最大限度地与真实的零部件的实体特征如质量、质心位置、转动惯量等相一致。图3是应用Pro/E建立的行星减速机各零部件的实体模型，并根据以上注意事项将所建立的模型与设计图纸一一进行检查，结构与物理特征都符合的较好。2．3虚拟样机的建立及校核 在MSC．ADAMS平台上，根据行星减速机的工作原理对建立好的三维实体模型施加必要的约束，建立的虚拟样机模型如图4所示（内齿轮经过特殊处理为半透明状 ，目的是使内部的结构更清晰化）。 对建立好的虚拟样机在 ADAMS平台里进行定性模型验证[4]，得到如下信息 VERIFY MODEL：．MPRO—model 0 Gmebler Count（approximate degrees of freedom） 8 Moving Parts（not including ground） 3 Revolute Joints 5 Fixed Joints 1 Motions 2 Gears 0 Degrees of Freedom for．MPRO—model There are no redundant constraint equations． Model verified successfully 模型验证结果为没有多余约束，模型验证成功，证明了所建立行星减速机的虚拟样机定性分析是正确的。为了增加所建立模型的准确度，本文又对所建立的虚拟样机的模型进行了传动比验证，这样可以确定虚拟样机有极高的可信度。 本文所研究的行星减速机的传动比，利用式（3）可得传动比为 对所建立的虚拟样机进行无驱动情况下的运动学仿真，由运动输入及输出的角速度之比确定建立虚拟行星齿轮的三维实体模型样机的传动比为3．5786，与设计的传动比相差无几，因此可以认为所建立的虚拟样机是准确的，可以代替实物样机来进行试验。3基于MSC．ATV的行驶仿真试验 MSC．ArV系统是基于ADAMS软件的一个工具包，是美国MDI（MechanicalDynamicsInc．）AB开发的一个履带车辆工具箱ArV（AutomaticTrackVehicle），作为分析军用或商用履带式车辆各种动力学性能的理想工具，它具有在一个模型中、多履带系统、全3D能力、不同的拓朴结构、全动力学履带模型以及软、硬泥土路面接口等特点。基于ArrV行驶仿真系统可以对履带车辆系统进行性能预测、疲劳分析以及系统的优化设计[2]。图5所示为履带车辆底盘在ArV中某级路面上的仿真示意图。 由于ArrV工具箱是ADAMS用于履带／轮胎式车辆的专用工具箱，能研究车辆模型在各种路面、不同的车速和使用条件下的动力学性能；是分析军用或商用履带／轮胎式车辆各种动力学性能的理想工具；行驶仿真计算可以获取大量与履带车辆的结构设计和动态性能密切相关的数据，可为最终实现履带车辆的虚拟制造、优化设计以及性能预测提供一条行之有效的技术途径。4基于行驶仿真试验的动力学仿真4．1行星架危险断面静载荷下扭转强度的验算 本论文采用行星减速机中的典型零部件——行星架作为其中研究的一个特例来进行动力学仿真分析。由履带车辆的行星减速机设计计算说明书得静载荷强度设计条件为：在 30。侧倾坡上按照履带与土壤的附着力计算，一侧力矩按车重的0．6G计算，此时计算力矩为 已知行星架的材料为45CrNi，σ[sub]s[/sub]=8000kg/cm[sup]2[/sup]。依据传统设计理论，行星架的危险端面为行星架的轴径部位，这样由已知的计算力矩和已知的材料特性得出行星架危险断面扭转应力。 扭转许用应力[5]为 静载荷下扭转应力为 由静载荷下的应力与许用应力相比可以得知，安全裕量较大，行星架的轴径的危险断面应该是满足强度设计要求的。但是实际上并非如此，行星减速机在使用过程中，行星架轴径却出现了裂纹、断裂的疲劳破坏现象。由于静强度设计不能充分反映材料在动载荷作用下的特征，又由于履带车辆在行军过程中大多承受的是交变动载荷，所以必须对行星减速机进行动载荷下的疲劳强度的分析计算，对行星架的危险断面进行动力学仿真分析。4．2基于行驶仿真试验的行星架动力学仿真研究 由于履带车辆的工作路面复杂多变，各种重型机械在工作过程中受到是交变动载荷，由于目前研究手段的限制，故大多数的机械产品没有进行动载荷下的寿命预测，因此导致在实际使用过程中实际寿命与设计寿命相差较大的情况，要解决此类问题，研究不同任务剖面下的交变动载荷是进行再设计、优化以及寿命预测的关键问题。由于测试手段、试验时间及资金的限制，以及计算机仿真在各行各业中的广泛应用，基于行驶仿真试验基础上对各零部件进行动载荷情况下仿真分析成为解决上述问题的一个有效手段，行星减速机中的行星架的例子就证明了这种方法的可行性。 本文基于行驶仿真试验的基础上对行星减速机进行了不同的路面、不同行驶速度的动力学仿真，但由于篇幅有限，文中只给出其在某实验跑道上分别挂3挡4挡和5挡时的行驶仿真结果，并计算出在不同挡位时行星架所承受的交变动载荷。图6所示为挂3挡时行星架轴径所承受交变动载荷。 由图6所得的交变动载荷的最大绝对值计算，在某一路段内行星架的危险断面的最大扭转应力（取最大转矩为5233N•m） 图7为某试验跑道挂4挡时，行星架轴径所承受的交变动载荷。 由图7所得的交变动载荷的最大绝对值计算，在某一路段内行星架的危险断面的最大扭转应力（取最大转矩为8763N•m） 图8为某试验跑道挂5挡时，行星架轴径所承受的交变动载荷。 由图8所得的交变载荷的最大绝对值计算．在某一路段内的行星架的危险断面的最大扭转应力（取最大的转矩为10707N·m） 由3挡、4挡和5挡交变动载荷下行星架危险断面最大应力的仿真结果与静载荷下行星架危险断面的许用扭转应力比较可以看出，3挡、4挡和5档运行时的最大应力远远小于自行火炮行星框架危险断面的设计时的扭转许用应力，在这种安全裕量很大的情况下，行星减速机零件失效的主要原因是行星减速机主要承受一种不规则的交变载荷，行星框架失效的主要原因是由于在工作过程中承受一系列交变载荷所产生疲劳损伤的累积而造成的，由于疲劳损伤演化的机理十分复杂，目前疲劳累积损伤理论尚没有得到很好的解决，工程上广泛应用的是Miner线性疲劳累积损伤理论一。能较好地预测疲劳寿命的均值。 Miner理论定义包括三方面 1）一个循环造成的损伤 2）等幅载荷下，n个循环造成的损伤 变幅载荷下 ，n个循环造成的损伤 3）临界疲劳损伤D[sub]CR[/sub]若是常幅循环载荷，显然当循环载荷的次数凡等于其疲劳寿命N时，疲劳破坏发生，即n=N，由式（12）得到D[sub]CR[/sub]=1，对于二级或者很少几级加载的情况下，试验件破坏的临界损伤值D[sub]CR[/sub]偏离1很大。对于随机载荷，试验件破坏时的临界损伤值 D[sub]CR[/sub]在1附近[6] 。 由Miner对疲劳损伤定义以及破坏准则可以得出，行星减速机在工作过程中，由于系统工作任务剖面的变化，导致行星减速机构件产生很大的动应力和应变，行星框架危险断面承受交变载荷的作用，且这些载荷的数值虽然不一定大得使零件突然损坏，但由于它们的经常作用，这种变幅交变载荷对行星框架疲劳损伤积累到其临界疲劳损伤D[sub]CR[/sub]时，就出现了行星框架在危险断面承受应力远远小于设计“安全”应力情况下就发生突然破坏的现象。因此确定行星减速机在运行过程中所承受的交变动载荷，以及对动载荷作用下行星减速机各零部件进行动力学分析有非常重要的现实意义。5结论与展望 本文针对静强度设计理论下的行星减速机实际使用寿命与设计寿命有很大差距这一问题，提出在行驶仿真试验基础上对履带车辆行星减速机进行了动力学仿真，以期获得其在不同任务剖面所承受的交变动载荷，为进行疲劳强度计算和寿命预测提供了重要的载荷参考数据。本文对某试验场地进行了行驶仿真试验，结合行星减速机的虚拟样机对不同挡位时行星架所承受的交变动载荷进行了动力学仿真，并从疲劳损伤累积理论人手分析了在承受交变载荷情况下的最大应力远远小于设计最大应力很多倍的情况下，仍然会发生疲劳破坏的原因。本文研究的基于行驶仿真试验基础上的动力学仿真分析，对研究在交变动载荷的情况下的寿命预测及结构优化具有极其重要的意义。参考文献 1吉林工业大学汽车教研室编著．汽车设计．北京：机械工业出版社．1983 2吴大林．自行火炮行驶仿真试验研究[硕士学位论文]．石家庄：军械工程学院，2oo5 3饶振纲．行星齿轮变速箱的设计研究．传动技术，1999，39～45 4郑建荣．ADAMS虚拟样机技术入门与提高．北京：机械工业出版社．2002（1）：1～10 5王义质，李叔涵．工程力学，重庆：重庆大学出版社，1～5（2） 6姚卫星．结构疲劳寿命分析．北京：国防工业出版社．2oo3（1）