底盘传动系统优化可行性分析.docx
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底盘传动系统优化可行性分析
泵车底盘传动系统优化可行性报告
1分析基础
1.1分析软件
该方面研究涉及三维建模、动力学仿真、有限元分析以及信号处理等部分内容,各部分内容均有相对应的软件工具进行相应处理,如在后续动力学仿真以及有限元分析中所涉及的三维结构模型均可采用proe来进行建模和修改。
对于proe的应用,在经过了之前的三维项目之后我们已经具备了独立建模的能力,对项目进行提供保障。
对于底盘传动系统的优化,依据之前项目经验可以采取仿真分析与实验相结合的方式来进行,首先拟定传动系统优化方案如:
改变系统部件的布局位置、固定形式或是所使用减震橡胶的参数等。
在制定好优化方案之后可以通过proe三维设计软件来进行建模,如下图:
模型一双前轴2:
1
模型二双前轴1:
2
模型三伸缩轴
以上三个模型分别为双前轴,比例依次为2:
1、1:
2以及伸缩前轴三种传动系统布局形式,在此模型的基础上可以对不同的优化方案分别进行仿真分析,以下为对这四种模型的adams仿真分析过程:
Adams模型一
Adams模型二
Adams模型三
Adams模型分别对应proe中的不同模型,为研究传动系统中各变量(如传动轴长度、吊板高度以及橡胶垫刚度阻尼等)与整机性能之间的关系需要对其进行单一变量修改比较法,因此在模型的边界条件的施加中需要保证除待研究变量外其它的条件均要保持一致。
在对其进行仿真分析之后可以对传动轴的轴向力以及分动箱等的跳动量等感兴趣参数进行测量,并以此做为后续ANSYS有限元强度分析的载荷,为最终优化传动系统的整机参数提供依据。
另外,在软件仿真分析的前提下还会进行相应台架实验的验证,台架主要包括动力部分、控制部分、检测部分等几个方面。
拟定将整个取力传动系统(包括传动轴、分动箱)安装于台架上进行振动检测。
动力部分采用大功率电机驱动,额定转速为车辆正常行驶时传动轴的转速。
检测部分采用电涡流位移传感器测量传动轴的径向跳动量、采用加速度传感器测量分动箱及相应支撑处的振动量。
所得信号通过数采卡的采集程序进行采集,然后通过matlab软件进行数据处理获得相应信息。
1.2硬件设备
该实验硬件数据采集设备可采用NI公司的PXI-1042Q,数据采集卡采用NI公司的PXI-4472,8通道数据采集卡,该处装有2个数据采集卡,采集通道数最大为16通道。
所采用传感器分电涡流位移传感器和加速度传感器,位移传感器可根据传动轴的尺寸和振动幅值进行选型,选型内容包括灵敏度、量程、探头直径等。
搭建台架需建造地基,做好隔振措施,动力部分的电机选型需结合传动系统参数以及减速机构参数而定。
另外,为准确控制台架转速需对其配置电控柜来调节电机转速,为模拟传动系统实际工况还需对其进行可控负载的施加,此处可用磁粉制动器来作为负载。
2前期仿真分析结果
结构一模型仿真分析结果:
双长轴1:
2轴向力曲线
上图所展示出来的就是采用1:
2比例的双前轴传动时后轴中两个测点的轴向力。
下两幅图中彩色坐标系分别代表MARKER_584和MARKER_588测点。
MARKER_584
MARKER_588
下图为吊板垂直方向所受的力。
吊板垂直方向力
结构二模型仿真分析结果:
双长轴2:
1轴向力曲线
上图所展示出来的就是采用2:
1比例的双前轴传动时前轴中两个测点的轴向力。
下两幅图中彩色坐标系分别代表MARKER_571和MARKER_585测点。
MARKER_571
MARKER_585
下图为吊板处竖直方向所承受的拉力。
吊板垂直方向力
通过上述仿真结果的比较发现不同比例结构的双前轴在运转过程中其轴向力以及吊板的竖直方向受力有很大区别,因此具有很大的优化空间。
分析可知由于吊板的影响前两段轴内的轴向力是不一样的,通过对测点的分析可知较长轴内的力更大一些,因此在两轴的布局时可根据整个传动系统中的强度差异选取适当的长度比例来提高传动系统的可靠性。
结构三模型仿真分析结果:
伸缩轴轴向力
上图为将前传动轴换为伸缩轴形式后的万向节处的轴向力,其中MARKER_621为伸缩轴结构驱动轴的万向节处的测点,MARKER_624为伸缩轴结构从动轴的万向节处的测点,具体位置见下图:
MARKER_621
MARKER_624
由所得测量量可知较长的轴段内轴向力较大,与前几种模型规律一致,从整体受力结果可以知道该结构较带吊板的双前轴结构其轴向力有大幅降低。
伸缩轴分动箱跳动量
2:
1双前轴分动箱跳动量
1:
2双前轴分动箱跳动量
由上述三图比较可以看出伸缩轴由于没有吊板的支撑,所以在运转时分动箱跳动量较带吊板的结构要大。
另外,同为双前轴传动由于长度比例不同,最终分动箱的跳动量也存在一定差异,当后段轴较长时分动箱不止稳态时的跳动量会大于前者,并且存在振动衰减慢,非稳态时间长等特点。
3橡胶垫属性对传动系统性能的影响
ADAMS仿真中所涉及支撑的阻尼刚度等参数的设置是通过对模型施加BUSHING单元来进行的,参数设置中可以对支撑的平动和回转方面定义x,y,z三个方向的刚度和阻尼。
鉴于此支撑在工作过程中仅涉及平动,所以对支撑的回转刚度不做修改。
对话框中的刚度数据为前期在湖大对支撑垫完成的静态刚度测试数据。
纵方向刚度测试侧方向刚度测试
下图蓝线为采用上述对话框中刚度参数时在2000r/min转速下运行时分动箱壳体的z向位移曲线,红线为加大支撑垫纵向刚度到1.0e+6N/meter所得结果。
由上图可看出支撑垫纵向刚度对于分动箱的水平摆幅无影响,仅对竖直方向的跳动有影响,且影响较大。
通过对模型的动态仿真结果发现分动箱仅在传动轴启动的时段内会存在一个较大的水平横向摆幅,在传动稳定后这个幅度会趋于稳定变得很小,主要以水平纵向周期颤动为主,此方向的运动会对传动系统薄弱环节造成较大负荷,并使传动轴及相关连接部处于一个拉压的交变载荷。
上图为对支撑垫的横向刚度进行修改加大道4.0e+6N/meter后分动箱的水平纵向窜动量,可以看出刚度的加大并未带来窜动量的明显减小,因为此前的刚度的数量级已经够大,分动箱的窜动量在对此数量级上的刚度已经不敏感所致。
4仿真结果总结
通过对以上模型的仿真分析可以得出传动系统优化的大体思路。
双轴段的长度分配比例
1:
2
2:
1
伸缩轴
轴向力
吊板竖直方向受力
分动箱跳动量
支撑刚度
纵向改为1.0e+6N/meter
侧向改为4.0e+6N/meter
分动箱壳体
备注
蓝线为原刚度支撑垫的分动箱振动量,红线为改变刚度后的振动量。
由上述两组图可以得出如下结论:
采用双轴结构较伸缩轴结构会存在较大的轴向力,但由于吊板的作用会使得分动箱在运行中的纵向跳动量减小,并且分动箱的轴向周期窜动的非稳态时间加长。
但对于同为双轴的结构,不同的长度比例也是影响传动系统性能的重要因素。
对于支撑垫刚度的仿真分析发现对于原支撑垫纵向刚度的改变对分动箱的跳动量影响不大,但侧向刚度的调整则会较大程度改善分动箱的轴向窜动。
5可行性及项目目标
通过初步仿真发现同为带吊板的双前轴结构,不同的比例其传动特性仍有很大区别,具有很大优化空间。
由于双前轴结构中较长的轴段中轴向力较大,因此在传动系统布局中应将该段轴避开强度较薄弱的环节,但同时根据所得分析结果,此结构会加重吊板竖直方向的力,所以在优化中应结合实验效果对二者进行权衡。
另外,通过对橡胶垫的刚度参数进行调整的仿真结果可以得出该减震垫存在侧向刚度过大,通过对其刚度阻尼进行优化有望减小分动箱在运行中的轴向窜动。
除此,还可从分动箱的支撑结构形式等方面入手,结合仿真中发现的分动箱以轴向周期窜动为主这一现象可采用刚度异性的结构形式来对系统进行进一步优化。
对于实验,在与湖南大学的合作项目中已经学习和总结出了一些可行的测试方法,包括实验流程以及相应的信号处理等。
经过整理和完善,现有的信号处理手段能对数据进行滤波处理、频谱分析、功率谱分析等,能对所采集的位移以及加速度信号在时域和频域等方面进行分析,从而有助于了解整个系统的传动性能以及能量分布,从而对系统的改进和优化提供帮助。
通过取力系统特性研究形成一套完整的仿真建模以及相关实验验证手段,制定出一套针对传动系统性能的检测方法和标准,指导底盘改装中取力传动系统部分的设计,并对改装后的传动系统进行其相关参数的测试,以判断其可靠性。
降低车辆传动系统振动及噪声,提高系统可靠性。
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- 底盘 传动系统 优化 可行性 分析