轮边减速器行星架结构强度分析

轮边减速器行星架结构强度分析摘 要：传统的齿轮设计是根据齿轮所受到的齿根弯曲和齿面接触疲劳应力，计算得到齿轮的参数，这种设计方法时间长，工作量大。而现代设计重把优化设计算法和可靠性理论引入，可以利用计算机工具，寻求最佳设计参数。本文对传统设计方法设计的行星轮架应用Pro/E软件为一级行星架建立三维实体模型，并将该模型导入ANSYS软件进行有限元分析，进行强度校核，参数优化。关键词：行星齿轮系统，轮边减速，有限元。Structure Intensity Analysis of  Planet Wheel Gear System of Wheel ReductorAbstract：Traditional wheel gear design accords to the bear bottom bend and the bear surface contact stress wheel gears are subjected to ,and then gets bear parameters .It takes designers long time ,and the work is great . But now the Optimization Design and Reliability Theory are imported in the modern engineering , and we can make full use of the calculator tool to look for the best design parameter. In the text we using the Pro/E software for the level planet carrier establishment three dimensional full-scale mockup, and inducts this model the ANSYS software to carry on the finite element analysis, carries on the intensity examination for the planet wheel gear system designed in traditional method.Key Words：Planet Wheel Gear System，Wheel Reductor , Finite Element. 1 引 言    二十世界60年代到80年代，齿轮技术有了快速的发展，在此期间，对齿轮疲劳寿命和材料疲劳特性进行了广泛研究，美国齿轮制造协会（AGMA），德国以及国际标准化组织（ISO）先后制订了较为配套的齿轮标准v进入80年代后，齿轮传动技术有了飞速的发展，并获得了较为广泛的应用，而齿轮传动的设计方法却显得相对滞后。    对于齿轮传动的参数设计，传统的设计方法大多是依靠分析，试凑或类比的方法来确定复杂的结构参数，从而减少了设计的可行方案，使v计变得相对被动，往往需要多次重复性的工作，才能得到比较满意的结果。随着计算机的发展和相关软件功能的不断强大，越来越多的设计开始使用软件模拟，用软件代替手工设计，并用软件进行相关分析，对设计不满意的地方进行修改，继续模拟仿真，直到得到比较满意的结果。这样大v提高了设计速度，对很多方案都可以模拟，是现代比较好的设计方法。2 轮边减速器的特点    轮边减速器属于汽车传动系统的一部分．而传动系统是发动机动力与汽车车轮负载之间的动力传递装置．它应满足使用上对汽车v能的要求，主要有以下几项特点：1)保证汽车在各种使用工况下所必需的牵引力变化范围．通常4～5，有时达数1O倍．因汽车实际载重量、道路坡度、路面好坏、交通与道路情况等均在很大范围内变化所致．2)保证汽车在各种使用工况下对速度的变化要求，这v速度变化范围应从零到最高车速．在发动机旋转方向不变的情况下，可获得倒档行驶．汽车在转弯的时候，能以外轮转得快，内轮转得慢的不同转速正常转向．3)在满足上述基本要求的同时，应保证汽车具有最佳的动力性和燃料经济性．轮边减速器是将动力直接传递给轮子的一个重要部件，是应用于原动机和车轮之间的独立传动装置，其主要功能是降低转速，增大扭矩，以便带动大扭矩的机械．为了使变速器、分动器、传动轴等总成不致因承受过大扭矩而使它们尺寸过大、重量过重，应将其传动比以尽可能的比率分配给驱动桥，采用较大的传动比，使其达到男璧募跛僖求，设计时，考虑其安装空间有限，应在保证一定的传动比时尽可能地将其尺寸减小．在设计的同时，还应考虑齿轮的模数、齿数以及其它零部件的尺寸．轮边减速器设计的主要任务是：1)从技术先进性、生产合理性和使用要求出发，正确地选择性能指标、重量和主要尺寸，提出整体设想(整体设计方案)为各零部件设计提供整体参数和设计要求．2)对内部零件(主要有齿轮、轴承、传动轴等)进行合理的布置并对其进行强度、刚度、寿命等校核，使其达到结构紧凑、重量轻、安全可靠性好、造型美观、维修方便、运动协调。3 行星齿轮传动类型和传动简图    因为本文所涉及的车采用电动轮驱动，为了获得较大的传动比，同时保证较高的传动效率，结构更加紧凑，选用型封闭行星齿 传动较为合理，其传动简图如图3-1所示。该轮系由一级差动行星轮系和二级准行星轮系（定轴轮系）组成的封闭行星齿轮传动。封闭行星齿轮传动的自由度W可按以下结构公式计算，即    （2-1）式中，——运动的基本构件数；——简单的行星齿轮传动数目；或称行星排数目。图3-1 传动简图
    如图2-1所示，该反馈式封闭行星齿轮传动，其简单的行星齿轮传动数k =2，    运动的基本构件数=3，按上述结构公式可得该型封闭行星齿轮传动的自由度为。可见，该轮系的自由度为1，即只需要给定一个动力崛爰，其余各个部分的运动情况也就随之确定，符合设计要求。4 典型零件的三维建模和有限元分析在Pro/E界面内绘制行星架的三维实体模型如下所示图4-1    将Pro/E界面中的三维模型导入ANSYS分析软件，主要步骤如下：1) 将行星架模型划分有限单元格    行星架主体直径约为1m，故取0.01m为单元尺寸划分单元格，得到如下图所示的模型图4-22) 对行星架进行受力分析，做出简化示意图    行星架通过花键与二级中心轮相连接，转矩由行星轴输入并带动行星架绕一级太阳轮转动，通过花键输出到下级太阳轮。可将行星架受力情况简化为：输入端三根行星轮轴分别对三个轴孔的一侧作用一个切向均布力；花键处作用有一扭矩，与三个切向力形成平衡。简化后的受力示意图如下：       图4-3前文已求得花键处传递的扭矩为T=19160.1Nm;又行星轴孔受力面积可近似为其投影面积S=10000mm2;通过计算得，每个轴孔所受切向力大小为   F=26068N.3 在ANSYS界面内，同时选取三个行星轴孔的一侧为受力面，施加均布力F；再将行星架上所有花键健齿的一侧选中，作为固定约束。4) 运行软件应力分布和变形分布功能，得出应力分布图和变形分布图如下：  图4-4图4-5由4-4图可知，行星架所受最大应力发生在花键轴孔与连接板相接处附近，所受最大应力为9.3MPa,该应力远远小于许用应力值；而最大变形发生在行星架外侧连u板轴的外缘，最大变形量为0.03mm，该变形量完全能符合要求值。综上，行星架设计符合要求。5 结论    本文对轮边减速器的行星轮系支架使用Pro/Engineer建立简化的三维实体模型，并应用ANSYS进行强度u析, 分析结果可靠，为以后的设计提供了一个新的考虑方向。参考文献[1] 刘玉春,罗维东,张文明等.矿用汽车轮边减速器可靠性优化设计.机械设计与制造 , 2006(09)[2] 许铁林.工程机械轮边减速器结构设计研究[J] .工程机械，1997，（06）.[3] 张云杰编著.Pro/ENGINEER Wildfire2.0机械设计.北京：中国林业出版社：北京希望电子出版社，2006.3[4] 张宝成.轮边减速器内齿圈的结构改进设计[J]. 有色金属(矿山部分) , 2000,(02) .[5] 余伟炜, 高炳军主编. ANSYS在机械与化工装备中的应用. 北京：中国 水利水电出版社，2007