基于Pro Engineer的變速箱結(jié)構(gòu)改造三維仿真測試及速度分析

[摘 要] 利用Pro/Engineer軟件對改進變速箱的虛擬裝配進行運動仿真，Pro/Engineer軟件是一款集CAD、CAM、CAE于一體的三維造型軟件，具有強大的建模功能，通過該軟件可得出位移、速度曲線，與原有的第一代變速箱的擋位和速度進行比較。

[關(guān)鍵詞] Pro/Engineer;運動仿真;速度分析

機構(gòu)運行過程中各種運動學(xué)及動力學(xué)參數(shù)運算方法非常復(fù)雜，采用手工計算或計算機編程的方法，計算量都相當(dāng)?shù)拇?，工作效率很低。進行Pro/Engineer運動仿真可以將工程師從復(fù)雜的理論計算中解放出來，投入到優(yōu)化設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計中，具有重要的意義。運動仿真能夠模擬真實環(huán)境中模型的工作狀況，從而可對其進行分析和判斷，檢驗機構(gòu)可能存在的機械干涉，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的缺陷和潛在產(chǎn)品中的質(zhì)量問題。因此可以提前對模型進行完善，以避免設(shè)計后期對模型反復(fù)的修改，進而縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期，并降低生產(chǎn)成本。通過Pro/Engineer三維運動仿真分析，可以得到準(zhǔn)確的理論數(shù)據(jù)和運動曲線，更好地完成產(chǎn)品的前期設(shè)計和后期檢測。

一、變速箱的速度分析

改造前的第一代變速箱只有一擋、二擋、三擋和倒擋四個擋位，速度變化有限，傳動比選擇范圍小。采用高低擋式改進的第二代變速箱加入了高低擋，配合普通的一擋、二擋、三擋和倒擋四個擋位，速度變化變大，符合現(xiàn)實生活中農(nóng)耕速度要求。其三維造型裝配圖如下圖所示。利用Pro/Engineer軟件強大的造型與仿真功能，再次分別分析各個擋位的速度參數(shù)，用以與第一代變速箱的參數(shù)進行比較。

（一）空擋傳動裝配圖及速度分析

空擋時，軸1、軸2和軸3的滑移齒輪都處在空轉(zhuǎn)位置，運動傳動只在軸1和軸2之間，即變速箱只輸出后接機構(gòu)的動力，而拖拉機不會發(fā)生移動，變速箱實現(xiàn)了空擋控制。

（二）倒擋傳動裝配圖及速度分析

軸2和軸3的滑移齒輪保持在空轉(zhuǎn)位置，軸1的滑移齒輪與軸3固定的40個齒的大齒輪嚙合，且軸3固定的40個齒的大齒輪與軸4雙聯(lián)滑移齒輪的18個齒的小齒輪嚙合時，變速箱實現(xiàn)倒擋控制。利用Pro/Engineer對三維實體造型進行運動仿真測試可得倒擋——高速擋的速度曲線，分析得當(dāng)輸入軸（軸1）轉(zhuǎn)速為1000r/min時，軸2的轉(zhuǎn)速為-525r/min，負(fù)號表示轉(zhuǎn)向相反，軸7（車輪軸）的轉(zhuǎn)速為-61.3636r/min，表明軸1與軸7轉(zhuǎn)向相反，實現(xiàn)了倒擋控制。且由轉(zhuǎn)速可驗證倒擋——高速擋的傳動比為16.296，符合齒輪齒數(shù)的傳動比計算結(jié)果，同時也滿足設(shè)計要求。

與倒擋——高速擋原理基本相同，其余齒輪嚙合位置不變，只需利用撥叉將軸4雙聯(lián)滑移齒輪改變位置，使得軸3固定的18個齒的齒輪與軸4雙聯(lián)滑移齒輪的40個齒的齒輪嚙合，使變速箱實現(xiàn)倒擋——低速擋控制。利用Pro/Engineer對三維實體造型進行運動仿真測試即可得倒擋——低速擋的速度曲線，分析得當(dāng)輸入軸（軸1）轉(zhuǎn)速為1000r/min時，軸2的轉(zhuǎn)速為-525r/min，負(fù)號表示轉(zhuǎn)向相反，軸7（車輪軸）的轉(zhuǎn)速為-12.4216r/min，表明軸1與軸7轉(zhuǎn)向相反，實現(xiàn)了倒擋控制。且由轉(zhuǎn)速可驗證倒擋——低速擋的傳動比為80.505，符合齒輪齒數(shù)的傳動比計算結(jié)果，同時也滿足設(shè)計要求。

（三）一擋傳動裝配圖及速度分析

軸1和軸3的滑移齒輪保持在空轉(zhuǎn)位置，軸2的滑移齒輪（19個齒）與軸3固定的40個齒的大齒輪嚙合，且軸3固定的40個齒的大齒輪與軸4雙聯(lián)滑移齒輪的18個齒的小齒輪嚙合時，變速箱實現(xiàn)一擋——高速擋控制。利用Pro/Engineer對三維實體造型進行運動仿真測試可得一擋——高速擋的速度曲線，分析得當(dāng)輸入軸（軸1）轉(zhuǎn)速為1000r/min時，軸2的轉(zhuǎn)速為-525r/min，負(fù)號表示轉(zhuǎn)向相反，軸7（車輪軸）的轉(zhuǎn)速為29.1477r/min，表明軸1與軸7轉(zhuǎn)向相同，實現(xiàn)了一擋控制。且由轉(zhuǎn)速可驗證一擋——高速擋的傳動比為34.308，符合齒輪齒數(shù)的傳動比計算結(jié)果，同時也滿足設(shè)計要求。

與一擋——高速擋原理基本相同，其余齒輪嚙合位置不變，只需利用撥叉將軸4雙聯(lián)滑移齒輪改變位置，使得軸3固定的18個齒的齒輪與軸4雙聯(lián)滑移齒輪的40個齒的齒輪嚙合，使變速箱實現(xiàn)一擋——低速擋控制。利用Pro/Engineer對三維實體造型進行運動仿真測試可得一擋——低速擋的速度曲線，分析得當(dāng)輸入軸（軸1）轉(zhuǎn)速為1000r/min時，軸2的轉(zhuǎn)速為-525r/min，負(fù)號表示轉(zhuǎn)向相反，軸7（車輪軸）的轉(zhuǎn)速為29.1477r/min，表明軸1與軸7轉(zhuǎn)向相同，實現(xiàn)了一擋控制。且由轉(zhuǎn)速可驗證一擋——低速擋的傳動比為34.308，符合齒輪齒數(shù)的傳動比計算結(jié)果，同時也滿足設(shè)計要求。

二擋和三擋傳動裝配圖及速度分析與本文前述過程類似，此處不再贅述。

通過3D虛擬模擬，可以清晰看到各個擋位動力傳遞的路線;通過仿真測試，可以驗證手工理論計算的正確性，并與第一代變速箱進行參數(shù)對比，得出改進結(jié)論。

二、兩代變速箱的速度比較

通過下表可以清晰地看出兩代變速箱的差異，第一代設(shè)計的變速箱雖然也有3個前進擋和1個倒擋，但無高低擋之分，這就使速度變化范圍小，可選擇的速度受到限制。而改進后的變速箱體積基本沒有變化，但在3個前進擋和1個倒擋的基礎(chǔ)上，加入了高低擋，使擋位一下變成了八個擋，速度變化范圍大，使變速箱的傳動價值充分體現(xiàn)出來。

三、結(jié)論

微型履帶式山地車變速箱的優(yōu)化改進設(shè)計中，Pro/Engineer具有不可替代的作用，對齒輪、軸、軸承、箱體等零件的三維實體造型，以及裝配時每個零件的空間位置分布，可以及時地檢查齒輪與軸空間上的干涉，參數(shù)化設(shè)計提高了工作效率，縮短變速箱的設(shè)計周期，可視化零件的三維實體造型。且在后期的運動仿真中能得到速度圖像，為后續(xù)的一系列運動分析奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]詹友剛.Pro/EngineerNGINEER中文野火版4.0高級應(yīng)用教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[2]趙俊飛，師帥兵.基于Pro/Engineer和ADAMS的拖拉機變速箱設(shè)計[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車，2013（4）：48-50.

[作者簡介]

王瓊，生于1981年，女，甘肅天水人，工程碩士，甘肅機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，主要研究方向為機械產(chǎn)品設(shè)計。

[作者單位]

甘肅機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院

（編輯：趙文靜）