陈 玮， 马 涛， 杨羲昊， 班永华， 张 磊， 武荣国， 高 宇

（特种车辆及其传动系统智能制造国家重点实验室， 内蒙古 包头014030）

0 引言

桥传动箱作为特种车辆传动系统的关键组成部件，主要包括锥齿轮、轴、滚动轴承等部件，H 型传动是特种车辆传动装置的一种结构形式， 用于将发动机的动力从变速箱输入，经分动箱将动力输出到各桥侧传动箱，再经轮边减速器传给各桥车轮。 桥传动箱用于将分动箱传来的动力送给轮边减速器， 并通过螺旋锥齿轮改变力矩传递方向，完成90°的方向变换。

SimulationX 是德国ITI 公司开发的一款基于标准物理对象建模语言Modelica 的分析评价技术系统内各部件相互作用的权威软件，是多学科领域建模、仿真和分析的通用CAE 工具， 并具有强大标准元件库。 鉴于SimulationX 具有用户界面友好、建模方式先进等特点，文中采用该软件作为仿真平台[1]。

SimulationX 软件的特点包括： ①可以在统一平台上建立不同的学科模型，并进行仿真；②建模理念是元素的组合建模，这种建模理念比传统数学建模更加简洁，节省了大量的时间，提高了开发人员的工作效率；③二次开发平台非常完善，具有标准化、规范化以及图形化等特点。用户在二次开发平台上创建的模型可以通过C 代码移植到SimulationX 平台，用户在SimulationX 软件中即可完成模型的修改；④该软件的建模方式分为3 个层次：基本元素层、方程层和模块化图像层，用户可以根据自己的需要选择相应的建模层次；⑤仿真功能强大，具有时域瞬态仿真、平衡计算、可靠性分析、振动模态分析等多种仿真功能，满足不同开发领域的仿真需求[2-6]。

本文以特种车辆传动系统的桥传动箱为研究对象，在SimulationX 软件中建立了桥传动箱的系统模型，并对其性能进行了仿真分析。

1 锥齿轮传动模型结构

桥传动箱的主要结构为锥齿轮传动结构，锥齿轮传动模型包括轴段、滚动轴承、锥齿轮等相关零部件，见图1。

通过图1，建立锥齿轮传动系统模型，扭矩分支点和惯量相连接（分段轴和齿轮）。 模型轴段代表了机械系统中轴（如齿轮箱轴）或机械系统中轴段的转动质量模型，见图2， 该模型根据输入的几何形状和材料数据计算轴的惯量和刚度。 假设该轴段为具有恒定几何截面形状的柱体，长度可以参数化。

图1 锥齿轮传动模型示意

图2 轴段质量模型

锥齿轮利用模型库自带的锥齿轮模型进行建模，根据实际锥齿轮的几何参数，在锥齿轮模型参数定义界面定义相关标准几何参数，比如模数、压力角、齿宽、齿间隙、齿数等等，锥齿轮模型几何参数定义界面见图3。

图3 锥齿轮模型几何参数定义界面

2 桥传动箱系统建模

对物理系统建模主要有2 种方法：基于数学关系的建模和基于物理对象的建模。前者需对物理部件蕴含的数学关系十分清楚， 通过编程或利用Simulink 之类软件的基本数学模块搭建模型， 往往简单的物理系统需要庞大的数学模型来表征。 后者将物理系统分解成工程系统的各种最小要素， 这些要素可由专门的建模软件提供， 用户即便在不了解内在数学关系的情况下，也能够根据物理结构用最小要素搭建系统模型，不但搭建过程简便快捷， 而且系统模型比数学模型简洁的多，很适合复杂、庞大物理系统的建模[7]。

桥传动箱内的锥齿轮对主要包括横向两轴承支撑的锥齿轮，纵向轴承支撑的锥齿轮，锥齿轮结构参数，见图4，两锥齿轮啮合，见图5。

图4 锥齿轮结构参数

在锥齿轮模型中， 齿轮和传动轴可以看做是两个刚体， 齿面接触在模型设置时可以是刚性的， 也可以是弹性的。齿轮装配（轴承之间的局部距离、 重心和负载中心）见图5。 为了在一维模型中考虑这种装配尺寸， 采用plane transformer元件。 刚性轴的平面模型考虑了在y和z 方向上的位移以及围绕x 轴上的偏转。 plane transformer 元件转换轴承支承点、锥齿轮（受力点）和重心之间的力和运动量。 利用弹簧阻尼器模拟轴承几个方向的弹性刚度及阻尼，惯量及质量模型模拟轴及部件转动惯量及相应质量。 横向锥齿轮轴承建模主要包括两支撑轴承，两支撑轴承轴向、纵向的刚度阻尼用弹簧阻尼器模型来建模，转动方向用扭转阻尼器来建模，见图6[8-10]。纵向轴承支撑建模同理，见图7。

图5 锥齿轮装配体

图6 横向两轴承建模

图7 纵向轴承建模

相应的横向轴承标准装配尺寸， 在fixedEnd、floatingEnd、loadingPoint 模型元件定义， 见图8。 SRA.BasicsSRA.Continuous.ChangeParameter（0.3，self.dyFault）中的0.3 为标准尺寸，self.dyFault 为相应公差； 纵向轴承标准装配尺寸同理，在loadingPoint1、folatingEnd1 中定义。

图8 装配尺寸定义界面

为了驱动控制锥齿轮传动， 加了控制系统控制相应的转速变化， 并且可以通过speed 及load 控件实时调整控制转速，基于上述锥齿轮及轴承支撑模型，搭建桥传动箱系统模型见图9。

图9 桥传动箱系统模型

3 仿真分析

根据桥传动箱空损试验要求， 锥齿轮啮合间隙值需在0.18～0.4mm 之间，通过修改对应参数来设置锥齿轮啮合间隙，见图10。

图10 锥齿轮啮合间隙参数设置界面

公式P=P0+C0×intensity×scale 中C0默认为1，intensity一般为0～1 之间的数值，scale 代表数值的级别。 通过对系统模型进行转速和扭矩的输入， 得到功率损失曲线见图11。

图11 桥传动箱功率损失曲线

（1）根据试验要求，输入转速最大为1789rpm，最大扭矩为3760N·m，桥传动箱功率损失≤5kW 为合格，系统模型仿真结果符合试验要求。

（2） 桥传动箱系统模型仿真结果与实际试验结果基本一致，模型准确性较高，后期针对其他试验将进一步开展仿真分析并对系统模型进行优化。

4 结束语

本文针对特种车辆传动系统关键组成部件桥传动箱， 通过基于参数的系统建模方法建立了桥传动箱系统模型，并对系统模型进行了性能仿真分析，并验证了模型的准确性， 为后续的新产品研发和复杂产品工艺优化奠定了基础，能够实现产品的快速制造，缩短研发周期，降低生产成本，提高产品质量。