減速型驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪中齒輪接觸強(qiáng)度的校核計(jì)算*

頡方正，張雯娣

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，甘肅蘭州 730060)

0 引言

無論是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、燃料電池汽車還是純電動(dòng)汽車，在幾大核心系統(tǒng)中，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，從減小體積、提高效率等方面來看，電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比其它形式的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更具有優(yōu)越性。在20世紀(jì)50年代初，美國人羅伯特發(fā)明了電動(dòng)汽車輪轂，隨后申請(qǐng)了專利，該機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)器為一體的輪轂裝置。后來該裝置被通用電氣公司應(yīng)用在大型礦用自卸車上，并命名為“電動(dòng)輪”［1］。利用傳統(tǒng)的機(jī)械強(qiáng)度的校核方式可以對(duì)其中的減速器中的齒輪接觸強(qiáng)度進(jìn)行校核分析，可以為進(jìn)一步的具體設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 減速型驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪的概述和工作原理

1．1 減速型驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)

該類型電動(dòng)輪起源于礦用車的傳統(tǒng)電動(dòng)輪［2］。電機(jī)輸出軸通過減速裝置與車輪驅(qū)動(dòng)軸連接，使電機(jī)軸承不直接承受車輪與路面的載荷作用，改善了軸承的工作條件。減速驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)輪電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高、有較高的比功率、質(zhì)量輕、噪聲小、成本低。

選取的減速型電動(dòng)輪主要由以下幾部分組成:電動(dòng)機(jī)、NGW型行星齒輪減速裝置(如圖1)、車輪等。

1．2 減速型驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪的工作原理

該減速驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)輪的總體結(jié)構(gòu)如圖2，懸架的上下擺臂將電機(jī)殼體上的凸緣與車身連接起來，高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的電機(jī)殼與轉(zhuǎn)向節(jié)及減速器的殼體做成一體，整個(gè)殼體外端與驅(qū)動(dòng)輪的輪轂相連。

圖1 NGW型行星齒輪減速裝置

圖2 減速驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)輪

盤式制動(dòng)器的制動(dòng)盤與輪轂一起轉(zhuǎn)動(dòng)，制動(dòng)鉗固定于電機(jī)殼上。電機(jī)轉(zhuǎn)軸通過內(nèi)置于封閉殼體內(nèi)的NGW型行星齒輪機(jī)構(gòu)增矩后帶動(dòng)車輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到減速增矩的效果。電機(jī)軸外端直接與NGW型行星減速器的太陽輪連接，電機(jī)工作時(shí)，帶動(dòng)太陽輪轉(zhuǎn)動(dòng)，太陽輪帶動(dòng)行星齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，行星齒輪帶動(dòng)行星架轉(zhuǎn)動(dòng)，行星架帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，行星機(jī)構(gòu)外齒圈與電機(jī)外殼固定［3］。這種裝置的特點(diǎn)是:漸開線圓柱齒輪傳動(dòng)的速度和功率范圍大，傳動(dòng)效率高，對(duì)中心距的敏感性小，裝配和維修比較簡便，易于精確加工。NGW型圓柱行星齒輪傳動(dòng)效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，傳遞功率范圍大，軸向尺寸小，可用于各種工作條件。

2 齒面接觸強(qiáng)度的校核計(jì)算

太陽輪、行星齒輪、齒圈作為該減速驅(qū)動(dòng)型中減速器的重要零件，下面對(duì)于各個(gè)齒輪的齒面接觸強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算。

2．1 計(jì)算接觸應(yīng)力

計(jì)算接觸應(yīng)力的計(jì)算公式如下［4］:

式中參數(shù)說明及取值計(jì)算:

σH計(jì)算接觸應(yīng)力，N/mm2;ZH節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，查得彈性系數(shù)，取重合度系數(shù)004，其中齒輪傳動(dòng)的端面重合度查得螺旋角系數(shù)名義切向力，F(xiàn)t1，2=59 650 N，F(xiàn)t2，3=41 138 N;d1太陽輪分度圓直徑 d1=40 mm，行星齒輪分度圓直徑d2=120 mm;b工作齒寬，指一對(duì)齒輪中的較小齒寬，b1=32 mm，b2=60 mm;u齒數(shù)比使用系數(shù)，查得 KA=1．0;KV動(dòng)載系數(shù)，查得 KV=1．0;KHβ齒向載荷分布系數(shù)，查表 KHβ=1．0;KHα齒間載荷分配系數(shù)，KHα=1．0，其中，總重合度 εγ= εα=0．742;計(jì)算得接觸應(yīng)力為

2．2 許用接觸應(yīng)力

許用接觸應(yīng)力的計(jì)算公式如下［5］:

式中:σHP齒輪的許用接觸應(yīng)力，N/mm2;σHlim試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限750 N/mm2;SHlim接觸強(qiáng)度計(jì)算的最小安全系數(shù)，SHlim=1．0;ZN壽命系數(shù)，按當(dāng)量循環(huán)次數(shù)Ne選取，Ne=60γnt，其中，γ指齒輪每轉(zhuǎn)一圈輪齒同一側(cè)面的嚙合次數(shù)，n指齒輪的轉(zhuǎn)速，t指齒輪的工作時(shí)間;計(jì)算得查得 ZN的計(jì)算公式為，計(jì)算得潤滑劑系數(shù)，查得速度系數(shù)，按齒輪的節(jié)點(diǎn)線速度v=0．84 m/s 查得 ZV=0．945，ZV3=0．875;ZR粗糙度系數(shù)，齒面的粗糙度對(duì)許用接觸力的影響系數(shù)，查得齒面工作系數(shù)，取ZW=1;ZX尺寸系數(shù)，在根據(jù)了、零件大小選材適當(dāng)，且熱處理和硬化層深度選擇合理時(shí)，一般取ZX=1;許用接觸應(yīng)力σHP分別計(jì)算太陽、行星齒輪、齒圈分別計(jì)算，取太陽輪和行星齒輪、行星齒輪和齒圈的較小者分別和接觸應(yīng)力校核。

太陽輪的許用接觸應(yīng)力:

行星齒輪的許用接觸應(yīng)力:

齒圈的許用接觸應(yīng)力:

2．3 強(qiáng)度條件及校核

強(qiáng)度條件及校核如下:

σH≤σHP

由計(jì)算結(jié)果可知，滿足接觸強(qiáng)度要求。

3 結(jié)語

對(duì)減速型驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪的太陽輪、行星齒輪、齒圈等核心零件的的接觸強(qiáng)度進(jìn)行了校核計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，滿足接觸強(qiáng)度要求，同時(shí)也為工程實(shí)際應(yīng)用中的其他校核方面提供了一定的理論基礎(chǔ)。

［1］ 宋佑川，金國棟．電動(dòng)輪的類型與特點(diǎn)［J］．城市公共交通，2004(4):16－18．

［2］ Fang－zheng Xie，Bao－xia Zhang，Cheng Xiao，Xin Song．Reliability Analysis Based on the Deceleration Electric Wheel［J］．ICMIA，Guangzhou，2012:211 －244．

［3］ 江先寶．輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案集成設(shè)計(jì)［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)，2008(增):125－127．

［4］ 成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006．

［5］ 楊鐘勝．電動(dòng)輪自卸車輪邊減速齒輪常見失效形式和預(yù)防措施［J］．汽車工藝與材料，2009(1):49 －55．