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  小型挖掘机终传动系统的优化设计


  终传动系统是小型挖掘机传动系统的重要组成部分,其功用是将主传动器传来的动力在传给驱动轮(链轮)之前进一步减速增矩,以满足工程机械行驶和各种作业的需要。

小型挖掘机终传动系统的优化设计
  小型挖掘机的终传动装置有平行轴式圆柱齿轮传动和行星齿轮传动两种形式。传统的终传动装置采用二级直齿减速机构,结构不紧凑,传动效率低,维修拆装不方便,不能同时满足驱动轮、转向与制动、中央传动在同一轴线上的总体布置。因而有必要进一步改进终传动的设计。


  1 数学模型的建立


  1.1 目标函数


  小型挖掘机单级外啮合直齿圆柱齿轮的终传动,应该在满足其设计要求和性能的前提下,从结构紧凑、减轻重量、节省材料和降低成本等方面出发,并且以保证传动系统体积最小为设计目标。
小型挖掘机终传动系统的优化设计

  在小型挖掘机的工作条件和材料选定的情况下,可用最终传动中主、从动齿轮体积之和来衡量。若体积最小,则整个装置的体积也最小。


  由于小型挖掘机最终传动的传动比较大(一般 i1n=4~6),为了使结构紧凑,通常选用齿数较小的主动齿轮为高度变位齿轮,以确保主动齿轮的强度,避免根切现象的发生。


  1.2 优化约束条件


  (1)主动齿轮齿数条件:12≤z1≤15。


  (2)齿轮模数条件:3mm≤m≤8mm,且满足国家标准。


  (3)齿宽条件:7m≤b1≤11m,(m 为齿轮模数)


  (4)变位条件:为了提高小齿轮强度和防止根切


  优化方法及计算机程序框图


  由于本优化设计问题仅有 3 个变量 11 个约束条件,属于小型优化设计问题,因此选用随机方向法寻查优化解。利用该优化方法求得四组优化解,在这四组优化解中由变量的最小值与最大值组成新区间,调用 3 次插值子程序在此区间内再进行一维探索,这样就能获得优化问题的最优解。
小型挖掘机终传动系统的优化设计

  3 优化实例


  某小型挖掘机终传动采用了外置式外啮合直齿圆柱齿轮传动,作用于主动齿轮上的计算扭矩为 600N·m。挖掘机最终传动优化程序是用 FORTRAN语言编制的,在计算机上去寻查最优化值。在保留原结构参数的情况下,对该终传动进行优化设计,从可以明显看出,优化设计后的终传动齿轮的体积比原设计减少了 21.06%。


  采用优化方法进行设计,不仅节省金属材料,降低成本,而且节省设计时间,提高了工作效率,使设计参数达到最优值。这对提高小型挖掘机的设计水平,改革传统的设计方法十分有益,也为新产品的设计提供了依据。
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