1、安徽科技学院学报，（）：收稿日期：基金项目：安徽省自然科学基金面上项目（）；机械传动国家重点实验室开放课题（）；安徽省科技重大专项（）。作者简介：马安帮（），男，安徽宿州人，硕士研究生，主要从事机械结构设计及齿轮传动研究。通信作者：李同杰，教授，：。基于 的采棉机变速箱动力学研究马安帮，苏阔，李同杰，孙尚贞（安徽科技学院 机械工程学院，安徽 凤阳 ；重庆大学 机械传动国家重点实验室，重庆 ；蚌埠行星工程机械有限公司，安徽 蚌埠 ）摘要：目的：研究采棉打包一体机变速箱斜齿轮副在不同工况下啮合传动的动力学特性，为基于斜齿轮的采棉机变速箱研究，提供动力学仿真分析参考。方法：首先根据采棉机变速箱工况，
2、选择输出扭矩最大的啮合齿轮副，建立其三维模型并正确装配，然后使用 进行齿轮啮合的动力学仿真分析，根据仿真结果绘制种工况下总啮合力时间应力对比曲线图。结果：在动力学仿真分析下，啮合齿轮副的输出转速、各个方向啮合分力与总啮合力与理论计算基本一致；输入转速越大，输出斜齿轮的总啮合力的周期性波动范围越大。结论：斜齿轮传动具有周期性啮入啮出的特性，斜齿轮副的刚度激励程度比直齿轮副更加平稳；在输入扭矩一致时，总啮合力的极差扩张幅度和输入转速增长幅度基本一致；采棉机变速箱应尽量避免齿轮的高转速传动，避免疲劳破坏的状况发生。关键词：采棉打包一体机；齿轮副；动力学模型；啮合特性中图分类号：文献标志码：文章编号：
3、（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，；，）：，：，：，：，：；采棉打包一体机需要快速的行走速度和较大的牵引力，并经常进行大角度的爬坡。采棉打包一体机整机传动系统中的前桥传动系统，是使用行走马达带动大速比的变速箱，变速箱通过左右半轴连接轮边减速机，轮边减速机输出端连接车轮实现整机驱动。目前，采棉机的行车制动集成在变速箱输出端，采用大速比的变速箱，输出扭矩更大，需要更大的制动扭矩，保证制动距离。为使小速比的变速箱和现有采棉机配套使用并减少其行车制动距离，采用小速比采棉机变速箱配合大速比的轮边减速机的方案，能够满足设备高速行走和较大的牵引力要求，同时具有开发周期短，开发成本和开发风险低的优
4、点。动力学分析能够实现工况匹配设计，在分析执行机构的各零件的运转情况的同时也能了解不同机构的动态啮合力的变化情况，并通过理论计算验证仿真结果的正确性，分析不同工况下齿轮的冲击特性，观察转速与负载变化对齿轮啮合冲击力的影响。为研究采棉机变速箱齿轮的啮合特性，了解不同工况下变速箱齿轮副的啮合力变化情况，对变速箱齿轮副进行动力学分析。首先建立动力学仿真模型，再利用动力学软件并设置正确的连接关系与接触参数，加载不同的转速和负载，模拟种不同工况下的齿轮运动情况。验证理论研究方法的正确性，研究不同工况下采棉机变速箱齿轮的角速度和啮合力变化规律，为基于斜齿轮的采棉机变速箱动力学分析提供参考。工况参数计算六行
5、停车换挡采棉打包一体机变速箱拥有田间和公路个机械挡位，整机采用二级圆柱斜齿轮进行动力传输，整机动力由输入轴从动轴输出轴依次进行动力传递，并通过从动轴上的同步器在停车时对六行停车换挡采棉打包一体机的田间和公路档位进行选择，六行停车换挡采棉打包一体机变速箱动力传递路线如图所示。为研究六行停车换挡采棉打包一体机变速箱齿轮在种工况下的运行情况，选择对六行停车换挡采棉打包一体机变速箱的输出端啮合齿轮副进行种工况下的动力学分析，根据变速箱的额定输入扭矩、额定输入转速、速比情况，计算采棉机变速箱在不同挡位下匀速行驶时，从动轴的转动角速度和输出轴的转动阻尼，变速箱的额定输入扭矩、额定输入转速、速比情况如表所示
6、。第 卷第期马安帮，等：基于 的采棉机变速箱动力学研究图动力传递路线 表变速箱设计参数 工况额定输入扭矩（）额定输入转速（）一级传动比总传动比田间挡 田间挡 公路挡 公路挡 根据设计参数，计算从动轴的转动角速度和输出轴的转动阻尼。（）其中，为输出轴转动阻尼扭矩，为总传动比，为额定输入扭矩。（）其中，为从动轴转速，为输入转速，为一级传动比。将表的数据分别带入式（）和式（）中，可以得到种工况下从动轴的转动角速度和输出轴的转动阻尼，将得到的角速度转换为弧度制，最终结果汇总如表所示。表计算结果 工况输出轴阻尼（）从动轴转速（）田间挡 田间挡 公路挡 公路挡 基于以上数据基础，对采棉机变速箱进行动力学分
7、析。建立斜齿轮啮合副 软件主要用于三维制图、建模，常被用于复杂的三维模型设计。在进行变位齿轮的设计、绘制时，设置输出斜齿轮的齿数、模数、压力角、螺旋角、变位系数等参数，最终完成整个零件的模型绘制。表是输出斜齿轮及其啮合零件的齿形参数，输出斜齿轮和从动轴的三维实体模型如图所示。安徽科技学院学报 年表齿形参数 名称齿数模数压力角变位系数螺旋角输出斜齿轮 右旋 从动轴 左旋 图输出斜齿轮三维模型 图从动轴三维模型 动力学仿真设置在 和 软件中，使用 （）接口完成数据转换，基于此数据转换基础在 中建立的动力学仿真模型如图所示。图输出斜齿轮虚拟模型 第 卷第期马安帮，等：基于 的采棉机变速箱动力学研究
8、动力学仿真模型建立由相对速度产生的阻尼力在 中的函数表达式为：（）（）（，）（）其中，为相互碰撞的两物体的初始距离；为碰撞过程中两物体的实际距离；为两物体间距离随时间的变化速度；为刚度系数；为碰撞指数；为阻尼系数；为切入深度；使用形式为 （，）的 函数防止碰撞过程中的阻尼力不连续，其表达式为：（）（）（）其中，；和分别是两齿轮材料的弹性模量，和分别是两齿轮材料的泊松比，和分别是两齿轮分度圆半径。根据碰撞力在 中的定义设置两齿轮之间的接触力参数如表所示。表接触力的参数设置 接触类型啮合力刚度力指数摩擦力静摩擦系数动摩擦系数实体对实体碰撞 库仑 二级圆柱斜齿轮副的 动力学仿真设置（）把大地设置为
9、，并在从动轴和输出轴上分别添加转动副。（）在二级圆柱斜齿轮副之间加接触力来仿真其啮合传动，并将从动轴和输出轴斜齿轮间的接触类型定义为实体接触。（）在二级圆柱斜齿轮从动轴的转动副上添加恒定驱动转速，并根据相应的工况设定相应的的转速。（）根据相应的工况在输出轴上添加恒定的负载转矩，模拟齿轮啮合时的负载。斜齿轮模型的碰撞参数设置本研究中斜齿轮的材料为 钢，在对从动轴和输出斜齿轮进行动力学仿真时，首先依照经验设置相关参数，设置齿轮非线性碰撞指数为 ，阻尼系数为 （），嵌入深度为 ，在对两齿轮的摩擦接触进行润滑处理时，动摩擦系数和静摩擦系数设置如表所示。最后设置时间为，运行步数为 步，进行动力学仿真模拟
10、。并根据以上仿真步骤，依次进行种不同工况下的动力学分析。动力学仿真分析与理论验证 动力学仿真结果通过多次动力学仿真调试确定最合适的求解方案，依次对种工况进行从动轴和输出斜齿轮动力学仿真，直接得到不同工况下输出斜齿轮的输出角速度变化曲线和输出斜齿轮圆周力、径向力、轴向力等个方向的动态啮合力变化曲线。数据导出和整理根据 分析得到种工况下的斜齿轮圆周力、径向力、轴向力的时间应力变化曲线和输出轴斜齿轮的时间角速度变化曲线，数据整理后得到种工况下输出轴斜齿轮的时间安徽科技学院学报 年角速度变化曲线如图 所示，输出斜齿轮径向力、圆周力、轴向力的时间应力变化对比曲线，分别如图、所示。图输出转速对比曲线 数据
11、整理与计算将同一工况下的圆周力、径向力、轴向力的时间啮合力的变化数据进行整理，总啮合力用下式进行计算：（）（）其中，为法向载荷，为圆周力，为径向力，为轴向力。不同工况下的总啮合力的变化如图所示，输出端斜齿轮的动态啮合力在不同工况下周期性变化。图总啮合力对比曲线 第 卷第期马安帮，等：基于 的采棉机变速箱动力学研究 相互验证根据齿轮啮合原理，齿轮的输出转速为输入转速和齿轮传动比的乘积：（）其中，为角速度；为齿数。将表中数据带入式（）得到不同工况下的输出轴转速，如表所示。表转速计算结果 工况从动轴转速（）二级传动比输出轴转速（）啮合频率 田间挡 田间挡 公路挡 公路挡 斜齿轮啮合时的法向载荷、圆周
12、力、径向力及轴向力的计算公式如下所示：（）（）（）（）去除前个因齿间间隙而产生的应力突变数据，将动力学仿真表相关参数带入式（）（）得到不同工况下输出轴斜齿轮的法向载荷、圆周力、径向力及轴向力，将理论计算结果和软件模拟结果进行比较如表所示。表理论计算和动力学仿真结果对比 工况数据来源输出轴转速（）圆周力径向力轴向力法向载荷田间挡仿真分析 理论计算 田间挡仿真分析 理论计算 公路挡仿真分析 理论计算 公路挡仿真分析 理论计算 从表的理论计算和动力学仿真数据对比可知，输出轴转速、圆周力、轴向力和法向载荷等数据的动力学仿真模拟结果和理论计算结果的数值差异较小，径向力的对比结果相差相对较大，这是动力学仿
13、真分析和真实碰撞存在摩擦力和重力等因素的差异所致，动力学仿真分析数据和理论计算结果在整体上一致。根据输出轴斜齿轮的总啮合力的变化曲线，验证了斜齿轮传动的总啮合力在不同工况下周期性波动的规律。为探究总啮合力波动范围随输入转速和输入扭矩的变化规律，分析整理原始实验数据，得到不同工况下总啮合力波动范围变化数据如表所示。安徽科技学院学报 年表总啮合力波动分析 平均值最大值最小值极差相对极差田间挡 田间挡 公路挡 公路挡 根据表、数据可知，在输入扭矩一致时，输入转速越大，输出轴斜齿轮总啮合力的周期性波动范围越大；输入转速的增长幅度和总啮合力的周期性波动范围的增长幅度基本一致。仿真结果分析表明，在输入扭矩
14、一定时，输入转速越大，输出齿轮的啮合冲击力越大，从而导致齿轮的疲劳破坏加重并减少其使用寿命，为减少斜齿轮啮合冲击力的影响，应尽量避免高转速传动。结论本研究使用 软件建立采棉打包一体机变速箱输出端齿轮副的三维模型，并使用 软件进行动力学仿真分析，输出端斜齿轮副在不同工况下的动力学仿真结果与理论计算结果基本一致，并验证了斜齿轮传动的总啮合力在不同工况下周期性波动的规律，给基于斜齿轮传动系统的啮合特性研究提供有力参考；斜齿轮副的刚度激励程度比直齿轮副更加平稳，但是由于啮合齿轮副的齿宽较小，啮合齿轮副在传动过程中仍有应力突变段；仿真结果表明，在输入扭矩不变时，输入转速越大输出斜齿轮的总啮合力的周期性波
15、动范围越大，总啮合力的极差增长幅度和输入转速增长幅度基本一致，采棉打包一体机变速箱应尽量避免齿轮的高转速传动，避免疲劳破坏的状况发生。参考文献：钟春发，倪向东，韩双蔓，等采棉机动力换挡行驶传动系统设计与试验机床与液压，（）：邱家欣，杨国涛，杨明波，等采棉机作业研究分析农业机械，（）：徐志龙 六行自走式采棉机技术研发农机科技推广，（）：阳振峰，李强，管延智，等定模动辊机电系统动力学分析机械工程学报，（）：刘畅，龙海洋，李耀刚，等基于 的变速箱换档过程仿真机械工程与自动化，（）：卫良保，韩斌，许黎明，等基于 的叉车变速箱动态特性分析机械传动，（）：张白鸽，岑海堂基于 的椭圆齿轮动力学仿真分析机械工程与自动化，（）：牛冠男，鲁聪达，吴建华基于 的变速箱传动系统动力学分析研究制造业自动化，（）：马源辰，郑鹏重载无人机弧齿锥齿轮动力学分析机械工程师，（）：谢最伟，吴新跃，陈艳锋人字齿轮齿面应力的接触元分析机械设计，（）：（责任编辑：顾文亮）第 卷第期马安帮，等：基于 的采棉机变速箱动力学研究