汽車行星系機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

劉海柱，萬君，羅浩，馮智軍

（北奔重型汽車集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014032）

汽車行星系機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

劉海柱，萬君，羅浩，馮智軍

（北奔重型汽車集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014032）

∶以直齒輪行星機(jī)構(gòu)傳動為例，對行星系的太陽齒輪和行星齒輪以及內(nèi)齒圈在受力載荷下的應(yīng)力與變形進(jìn)行了研究。模擬行星系在實(shí)際受載情況下，機(jī)構(gòu)中各零部件的載力分布情況。利用二維、三維軟件與ABAQUS軟件建立了完整行星系的有限元模型，根據(jù)重合度與齒間載荷分配系數(shù)對各承載輪齒施加了分布載荷，采用ABAQUS軟件中的接觸分析功能進(jìn)行解算，著重分析工作過程中載荷對各零部件的的應(yīng)力與變形的影響。

∶行星傳動；內(nèi)齒圈；有限元；應(yīng)力；變形

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.093

CLC NO.: U463.5Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-269-03

前言

行星系結(jié)構(gòu)傳動具有傳動比大、承載能力大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞運(yùn)動平穩(wěn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在工程機(jī)械、鋼鐵行業(yè)、軍事領(lǐng)域、汽車等各種工業(yè)領(lǐng)域。工業(yè)用行星系主要是由太陽齒輪、行星齒輪、齒圈、齒圈支架、行星架等部件組成，內(nèi)齒圈常與機(jī)體相連接，并與行星輪嚙合以傳遞運(yùn)動和動力。

本文以重型汽車輪邊為NGW型五個直齒行星的傳動為例，采用三維軟件實(shí)體建模與ABAUQS軟件建立完整的有限元模型。針對行星傳動中復(fù)雜結(jié)構(gòu)及非承載部件，對有限元模型施加合適的約束以及適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)簡化；根據(jù)重合度與齒間載荷分配系數(shù)，對主要承載輪齒施加分布載荷；利用ABAQUS有限元軟件的接觸分析功能，分析了整個行星系結(jié)構(gòu)的受力情況以及變形情況。

圖1　汽車驅(qū)動橋及輪邊行星傳動簡圖

1、有限元模型的建立和求解

1.1行星系的系統(tǒng)參數(shù)

圖1所示為一重型汽車輪邊系統(tǒng)的NGW子那個高速行星傳動系統(tǒng)。太陽齒輪、五個行星齒輪和齒圈及齒圈支架均為漸開線直齒圓柱齒輪；齒圈與齒圈支架通過相互配合固定在一起，齒圈支架通過DIN5480規(guī)格的花鍵固定在橋殼上，太陽輪上的運(yùn)動和動力通過半軸輸入，行星架（汽車驅(qū)動橋輪邊的鐘形轂）輸出最后傳遞到輪胎上。太陽輪、行星輪和齒圈的材料均采用20CrMnMoH的滲碳淬火鋼。為簡化清晰表達(dá)行星結(jié)構(gòu)，圖1中示意主要零件、部件結(jié)構(gòu)，其參數(shù)參見表1。

表1　齒輪參數(shù)表

1.2三維實(shí)體模型的建模

輪邊行星系動力傳遞主要是在齒輪結(jié)構(gòu)系內(nèi)完成，本文通過catia三維軟件建立準(zhǔn)確的三維模型；主要以表格內(nèi)的零件以及行星銷進(jìn)行建模。為了有限元分析能夠準(zhǔn)確反映出系統(tǒng)的受力狀態(tài)，為了使用ABAQUS中的接觸功能，齒輪在建模時需考慮一定的側(cè)隙；側(cè)隙的大小可以根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行選定。齒輪建模時需考慮齒輪的變位系數(shù)、齒形、修緣等細(xì)節(jié)，在齒輪方面的詳細(xì)細(xì)節(jié)就不在贅述。

1.3有限元模型的建模

catia生成的stp格式三維準(zhǔn)確數(shù)模，導(dǎo)入ABAQUS有限元軟件中生成有限元分析的模型，賦予模型材料屬性，彈性模量E為2.06E5MPa/mm2，泊松比為0.3。為減少計算成本，模型的網(wǎng)格劃分采用abaqus中tetfree進(jìn)行劃分(單元類型為C3D10單元28216+62398+49550*5+107995)。

圖2　輪邊系統(tǒng)有限元模型及網(wǎng)格劃分

1.4邊界條件的加載

取整橋的單側(cè)輪邊系統(tǒng)進(jìn)行研究，單側(cè)承載力為整橋承載力的一半。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行選擇邊界條件。將齒圈支架進(jìn)行完全約束，為簡化模型，減少計算量將齒圈支架與齒圈合并為一個零件，行星架與行星銷合并為一個零件，行星輪保留軸向轉(zhuǎn)動的自由度(建立行星輪軸向約束時需建立行星軸的局部坐標(biāo)系)；太陽輪保留軸向轉(zhuǎn)動的自由度，采用全局坐標(biāo)系。

為減少計算量和更好的劃分網(wǎng)格，將太陽輪花鍵進(jìn)行簡化；簡化為光滑內(nèi)表面，通過建立的reference point點(diǎn)用ABAQUS中的耦合功能與太陽輪內(nèi)表面耦合。齒輪嚙合部分采用abaqus中相互作用interaction齒接觸功能，與實(shí)際應(yīng)用相符合。根據(jù)設(shè)計要求對耦合后的reference point施加6.9E6 Nmm的扭矩載荷。

1.5有限元計算

有限元計算的最大應(yīng)力為784.4MPa，齒輪應(yīng)力最大處發(fā)生在齒根，齒輪在每一個接觸位置的應(yīng)力基本相同。齒輪隨著在不同地方的嚙合，導(dǎo)致在不同嚙合處的應(yīng)力也不盡相同。

圖3　有限元計算結(jié)果

2、計算結(jié)果分析

圖4　輪邊系統(tǒng)受力分析

2.1齒輪的受力情況

式中：Ta—太陽輪輸入扭矩，6.9E6Nmm；

nw—行星齒輪數(shù)量，nw=5；

ra—太陽輪分度圓直徑，ra=38；

依據(jù)整橋的設(shè)計承載力計算得出太陽輪輸入扭矩為6.9E6Nmm，根據(jù)[4]中規(guī)定可以得出行星輪上所受得軸向力為Fica=33892.7N。采用《GB/T3840-1997漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法》進(jìn)行計算從而可以得出齒輪的理論彎曲應(yīng)力。計算過程中的重合度系數(shù)、載荷分布影響系數(shù)、齒形系數(shù)、應(yīng)力修正系數(shù)等具體系數(shù)的選取本文不再贅述。計算得出行星輪和太陽輪的彎曲為724MPa。

2.2理論分析與有限元計算的對比

根據(jù)《GB/T 3840-1997漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法》可以得出齒輪應(yīng)力最大處發(fā)生在齒根，齒根過渡圓角對齒根彎曲應(yīng)力的位置以及應(yīng)力大小有較大影響；通過有限元分析計算可以看出齒輪應(yīng)力最大處也是在齒根處，與之相配的齒輪齒頂處應(yīng)力相等，這是由于相互作用力的結(jié)果；符合實(shí)際應(yīng)用情況。

3、結(jié)論

在實(shí)際工程應(yīng)用中，損壞較多的情況主要是行星輪和太陽輪的磨損和打齒，齒圈損壞相對較少(損壞情況見圖5)。通過兩種計算的分析可以看出應(yīng)力最大處分別發(fā)生在齒輪的齒頂和齒根，當(dāng)齒輪所受應(yīng)力達(dá)到或超過齒輪材料的極限應(yīng)力時就會發(fā)生打齒和劇烈磨損的現(xiàn)象(如圖5)最終導(dǎo)致輪邊損壞。通過有限元或理論計算可以準(zhǔn)確分析出行星系統(tǒng)的承受最大載荷，有限元分析可以形象的反映出系統(tǒng)各部分的應(yīng)力情況比較直觀，而理論計算分析能夠系統(tǒng)的反映行星系統(tǒng)的各結(jié)構(gòu)的受力情況，二者結(jié)合能夠較好的反映結(jié)構(gòu)的承載情況。

在實(shí)際齒輪設(shè)計過程中齒形、變位系數(shù)等相關(guān)系數(shù)的的選取一般是保證兩個齒輪的強(qiáng)度、壽命基本相同，這樣才能有利于便于維護(hù)保養(yǎng)、增加可維護(hù)性；最終降低維護(hù)成本，增加齒輪的有效使用效率。

圖5　輪邊系統(tǒng)齒輪打齒和磨損現(xiàn)象

[1] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.108～114.

[2] 張金柱.現(xiàn)代汽車設(shè)計概論[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[3] 劉維信.汽車設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.

[4] 徐灝.機(jī)械設(shè)計手冊第3卷[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1991.24-29～24-45

[5] 劉展.ABAQUS 6.6基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

Structure Analysis Of Truck Planetary System

Liu Haizhu, Wan Jun, Luo Hao, Feng Zhijun
（North Ben Heavy Duty Truck Group Co., Ltd Inner Mongolia Baotou 014032）

Spur gear planetary transmission as a example, the stress and deformation of the ring gear of planetary systems under the mechanical load is studied. Simulate planetary systems in the actual loading case, institutions of each component in the distribution of the residual. Using 2d and 3d software and ABAQUS to build a completely, according to the contact ratio and coefficient of load distribution among gear teeth on the load, using ABAQUS contact analysis function for calculating, emphatically analyzedthe load for the effects of stress and deformation of the parts.

Planetary transmission; The gear ring; Finite element; Stress; deformation

∶U463.5

∶A

∶1671-7988 (2016)09-269-03

劉海柱（1979—），男，工程師，就職于北奔重型汽車集團(tuán)有限公司，從事專業(yè)領(lǐng)域：汽車設(shè)計，負(fù)責(zé)重型車橋、汽車傳動系的開發(fā)。