高速履带车辆主动轮动态应力仿真分析研究

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主动轮载荷分析
主动轮需保证在各种复杂行驶工况下， 以及在履带铰链
和各种啮合件的不同磨损程度下， 能够可靠地、 无冲击地传 递牵引力或制动力， 这也决定了其受力情况十分复杂 。 本节 将对其与履带销之间载荷进行理论分析及动力学仿真分析 。 2． 1 载荷理论计算 主动轮齿圈驱动履带时， 假设有 5 个齿同时与履带销相 啮合， 且各啮合点在同一圆周上， 履带紧端的拉力 T p 等于某 档牵引力， 履带悬垂端的拉力为 T c 。 如果取履带销 1 为自由 体， 则 T p 履带销 1 承受紧边拉力为 T p1 （ T p1 = T p ） ， 松边拉力 为 T c1 。 履带销 2 承受紧边拉力为 T p2 ， 松边拉力为 T c2 。 同理， 4， 5 上 承 受 的 拉 力 分 别 为 T p3 ， T c3 ， T p4 ， T c4 ， T p5 及 履带销 3 ，
T c5 ， T c2 = T p3 ， T c3 = T p4 ， T c4 = T p5 并有 T c = 且有 T c1 = T p2 ， T c5 。 设每个履带销在相应齿形保持平衡， 在啮合区段内任意 T pi 为紧边的拉力， T ci 为松边的拉力， N i 为齿 取一对啮合副 i， 圈对履带销的法向反力， μN i 为履带销与齿圈间的摩擦力（ μ a 为齿间角， b 为压力角， x、 y 轴分别为啮合点 为摩擦系数） ， 的法向和切向的坐标轴， 其受力分析如下图 1 所示。
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引言
［1 ］
农业、 建筑 履带车辆依其良好的通过性能在现代军事 、 业等领域发挥着重要作用 ， 但是其工作环境恶劣， 经常受
［2 ］
到冲击和振动， 一些关重部件失效形式表现为疲劳断裂
主动轮为整车提供牵引力和制动力， 承受随机交变载荷， 对 其受力动态变化的过程的研究一直是业界的难点和热点 。 3］ 文献［ 中虽对主动轮应力应变进行了分析， 但是对主动轮 模型及其载荷进行了简化， 且只分析了静载荷作用下单齿模 型的应力分布状况， 未考虑动态载荷的影响及“履带—主动 轮” 的实际啮合情况， 与实际工况存在较大的出入 。 本文在建立履带车辆多体动力学模型基础上得到主动 轮上的动态作用力， 对履带车辆主动轮的单齿啮合模型和多 齿啮合模型以及刚柔耦合进行了动态应力仿真分析， 得到动 态载荷下主动轮齿圈的应力分布特点， 对零件的强度校核能
Analysis and Simulation on Dynamic Stress of Tracked Vehicle Sprocket
TIAN Zheng，CHEN Bing，YIN Zhong － jun，WANG Wen － rui
（ Mechanical Engineering School of University of Science ＆ Technology of Beijing，Beijing 100083 ，China） ABSTRACT： In order to research the dynamic stress of the tracked vehicle sprocket，this paper established a high － speed tracked vehicle dynamics model，in which the time loads of sprocket was simulated during the vehicle is running at 60km / h on the D class road． We established the " trackboard － sprocket" models of the single tooth in mesh and multiple teeth in mesh． The dynamic stress of the sprocket’ s gear ring was acquired by analysis． Simulation results show that the stress of tracked vehicle sprocket’ s gear root and the fixed gear bolt hole are larger，and the stress concentration is observed at the edge of the teeth． The other gear tooth ’ s forces only increase the stress of the fixed gear bolt hole compared with the results． The simulation results provide the calculation basis for the optimization of the high － speed tracked vehicle system． KEYWORDS： Tracked vehicle； Sprocket； Model in mesh； Rigid － flexible coupling model； Dynamic stress
［5 ］
， 即主动轮的载荷时间历程 。 统计资料表明： 履带
车辆行驶时通过较大起伏路面的情况并不多见， 主要还是在 砂石路面、 泥土路、 河滩路和沥青路面等路况行驶， 从路面不 平度激励能量角度而言， 基本上类似于公路车辆道路标准划 D 和 E 级路面 分中的 C、
［3 ］
。本节选取具有一定代表性的车
收稿日期： 2010 － 10 － 23 修回日期： 2010 － 12 － 29
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样件数量
［4 ］
CA
更加接近零件的实际工作状况， 可减少相关试验所需试制的 。分析结果为高速履带车辆行驶系统的结构设 计及优化提供计算依据 。
图1
啮合副受力分析
在图 1 所示 x 轴和 y 轴上各分力有以下平衡式：
{
N i + T ci cos（ a + b） － T pi cosb = 0
T pi sinb + μN i － T ci sin（ a + b） = 0 BμN i = AN i
由履带销中心 O 的力矩平衡得：
由上述两个公式可以算得各履带销松边作用力与紧边 作用力相互关系： T ci A sinθ + cosθ B = T pi A cos（ a + θ） sin（ a + θ） + B sina A sin（ a + θ） + cos（ a + θ） B
主动轮齿圈在最大外部载荷作用下（ 仿真时间为 0． 007s 时） 的应力应变云图如图 4 和图 5 所示。 从图 4 中可以看 出， 最大应力为 60． 9 MPa， 发生在轮齿受拉一侧的齿根部， 其 由图 5 中可以看出， 主动轮的接触轮齿齿顶处应变较大， 为 变形延 x 轴负方向， 故应变值为负。
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有效接触力作为有限元分析的载荷边界条件施加， 需要分为 多个载荷步进行施加到单个或多个轮齿上 。本节采用 APDL 的表技术进行多载荷求解， 首先按照 2． 2 节得到接触力及相 应时间赋值载荷表， 然后利用表载荷对轮齿表面施加动载 荷。 本文将分两种工况进行主动轮齿圈的动态应力分析 。 1 ） 分析单个轮齿在啮合过程中的受力 。 只取主动轮的 6 号轮齿， 在其齿面一侧施加图 2 中所示的第 6 个履带销与 主动轮的作用力的 1 /2 ， 进行仿真， 分析主动轮齿圈的应力应 变分布情况。本文简称为单齿啮合模型 。 2 ） 分析多个轮齿在啮合过程中的受力 。 将第 1 个履带 销至第 11 个履带销与主动轮轮齿的相互作用力的 1 /2 施加 到主动轮齿圈相应的轮齿上， 模拟在轮齿从啮合到脱离的整 个过程， 分析在此过程中主动轮齿圈的应力应变分布情况； 圈应力分布的影响。本文简称为多齿啮合模型 。
第 28 卷
第 11 期
计
算
机
仿
真
2011 年 11 月
文章编号： 1006 － 9348 （ 2011 ） 11 － 0328 － 04
高速履带车辆主动轮王文瑞
（ 北京科技大学机械工程学院， 北京 100083 ） 由于车辆在运动中承受交变载荷， 主动轮受力较强。 为改进结 摘要： 为研究高速履带车辆主动轮的动态应力强度优化问题， “履带板—主动轮” 构强度， 提出建立履带车辆多体动力学模型和车 的单齿、 多齿啮合模型以及刚柔耦合， 对务工况设定进行 了动态应力仿真。结果表明， 履带车辆主动轮齿圈齿根处以及固定螺栓孔壁应力较大且在轮齿边缘部位存在应力集中 。 通 过仿真， 结果证明轮齿的受力不会对轮齿的应力产生影响， 可为高速履带车辆行驶系统的结构设计及优化提供依据。 关键词： 履带车辆； 主动轮； 啮合模型； 刚柔耦合模型； 动应力 中图分类号： TB24 文献标识码： A
余部分应力较小， 最大应力值远小于齿圈材料的屈服强度 。
将式（ 3 ） 代入（ 1 ） 式可得到齿圈对履带销的法向反力： N i = T pi
由于履带销与主动轮之间的相互作用力受行驶路面情 况、 行驶速度等诸多因素影响， 且履带板数目多， 所以理论计 算难度较大， 而且无法确定具体某一时刻主动轮的受力情 况。 2． 2 载荷仿真 本节建立起能反映车辆结构 、 物理特性的多体动力学仿 真模型， 在此基础上， 通过对车辆行驶于不同等级路面 、 不同 车速等工况的设定， 仿真计算得出主动轮与履带板间的相互 作用力
图2
履带销 － 主动轮相互作用力（ D － 级 60 km / h）
图 2 所示为 11 个连续履带销与主动轮接触时的相互作 用力， 从图中可以看出主动轮受到的最大冲击力载荷为 81． 8kN， 其余冲击力也均在 65kN 到 8kN 之间。 在仿真中， 为更 加贴近实际情况， 履带施加车重 8% 的预张紧力， 所得到的计