某輪邊齒輪減速器嚙合齒輪的有限元分析

馬學(xué)剛 陳晨 王玲芝 尹宗軍 蘇蓉 吳俊

摘 要：輪邊減速器是車輛最后一級(jí)傳動(dòng)裝置 其經(jīng)受的扭矩也是最大的 所以減速器的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。因此對(duì)其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要科學(xué)合理。文章利用軟件Catia軟件建立了輪邊減速器三維實(shí)體模型 抽取了太陽輪和行星輪嚙合副模型以IGS格式導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。針對(duì)輸入功率最大值180kw要求 利用Workbench平臺(tái)對(duì)膜片彈簧進(jìn)行太陽輪和行星輪嚙合副有限元計(jì)算 最后得到了該嚙合副Mises應(yīng)力云圖。

關(guān)鍵詞：輪邊減速器;有限元分析;應(yīng)力云圖

中圖分類號(hào)：U467? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）18-138-03

Abstract： Wheel reducer is the last transmission device of the vehicle， and its torque is also the largest， so the strength and structure of the reducer are crucial. Therefore， the design of its structure should be scientific and reasonable. In this paper， the three-dimensional solid model of wheel reducer is established by CATIA software. The meshing pair models of sun gear and planetary gear are extracted and imported into ANSYS software with IGS format for mesh generation. According to the requirement of the maximum input power of 180kW， the finite element calculation of the meshing pair of sun gear and planetary gear is carried out by using workbench platform， and the Mises stress nephogram of this meshing pair is obtained.

Keywords： Hub Reduction Gear; Finite Element Analysis; Stress Nephogram

CLC NO.： U467? Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）18-138-03

前言

對(duì)于重型貨車、礦用車和越野車等需要較的大傳動(dòng)比 因此需要采用輪邊減速器作為最后一級(jí)減速。輪邊減速器的結(jié)構(gòu)主要為三部：太陽輪、行星輪和行星架。采用輪邊減速器的優(yōu)點(diǎn)之一就是可以保證在實(shí)現(xiàn)總傳動(dòng)比不變的情況下 使傳動(dòng)軸等部件的承受力減小 并且可以縮小這些零部件的尺寸。輪邊減速器的通過齒輪傳動(dòng)的方式降低速度 增大扭矩。從而獲取更大的動(dòng)力。

楊生華[1]通過接觸仿真分析研究了通用接觸單元在輪齒變形和接觸應(yīng)力計(jì)算中的應(yīng)用。建立了一對(duì)齒輪接觸仿真分析的模型 并使用新的接觸單元法計(jì)算了輪齒變形和接觸應(yīng)力。屈文濤[2]利用ANSYS軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)語言APDL建立雙圓弧齒輪的三維有限元單齒對(duì)接觸靜態(tài)模型 并基于ANSYS/LSDYNA建立了柔性體多齒動(dòng)態(tài)接觸模型 并對(duì)齒輪進(jìn)行了動(dòng)態(tài)接觸分析。陳胡興[3]利用ANSYS的參數(shù)化設(shè)計(jì)語言（APDL）建立雙圓弧齒輪的三維實(shí)體 形成相應(yīng)有限元模型 對(duì)輪齒彎曲應(yīng)力進(jìn)行了分析。本文以某車型輪邊減速器為研究對(duì)象 依據(jù)該輪邊減速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作特性[4] 對(duì)太陽輪和行星輪嚙合副進(jìn)行了靜力學(xué)分析。

1 嚙合齒輪有限元分析模型建立

1.1 輪邊齒輪減速器嚙合齒輪受力分析

對(duì)于各個(gè)零件的設(shè)計(jì)要求應(yīng)滿足尺寸安裝 功率達(dá)標(biāo) 壽命長久等。因此規(guī)定該輪邊減速器的所達(dá)到的要求：1）應(yīng)滿足的輸入功率最大值pe：180kw;2）在工作期間的額定轉(zhuǎn)速：40km/h（600r/min）;3）規(guī)定減速比達(dá)到5：1;4）在工作期間的額定轉(zhuǎn)速n：40km/h（600r/min）。

1.2 嚙合齒輪幾何模型建立

首先對(duì)三維復(fù)雜模型（如有倒角等細(xì)節(jié)）進(jìn)行模型的簡化 其目的是為了降低求解難度。然后轉(zhuǎn)化模型類型 導(dǎo)入ANSYS 進(jìn)行前處理。在前處理模塊中 按照要求對(duì)模型進(jìn)行操作處理 定義好一系列的條件 包括網(wǎng)格劃分、添加約束和設(shè)定載荷等。最后進(jìn)行后處理 求解模。

在CATIA中首先將模型進(jìn)行裝配 如圖2所示 在裝配過程中確保太陽輪和行星輪上各自的分度圓市相切的 且齒輪面是相互接觸的。

由于CATIA和ANSYS中的文件格式不同 為了能將CATIA文件導(dǎo)入ANSYS軟件當(dāng)中 將裝配好的文件進(jìn)行保存。保存的格式選擇為igs。打開ANSYS界面 選擇static structural（靜態(tài)結(jié)構(gòu)）選擇geometry 右擊導(dǎo)入保存的CATIA裝配圖 此時(shí)格式后綴為.igs。

1.3 材料模型的建立

本文中太陽輪和行星輪選取的是40CrMnMo。假設(shè)其材料為各向同性材料 其選取材料參數(shù)如下表2所示。

1.4 初邊界條件的確定和網(wǎng)格劃分

接下來對(duì)模型添加約束條件 對(duì)行星輪進(jìn)行固定。對(duì)太陽輪添加受力 在定義框內(nèi)輸入從扭矩?fù)Q算出的力偶數(shù)值955000N·mm。

前處理中重要的一步就是網(wǎng)格劃分。對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分 在這里我們將網(wǎng)格劃劃分為單元長度為5mm 如圖3所示。

在減速器中行星輪系最顯著的作用就是可以功率分流 在本次的方案中采用了5個(gè)完全相同的行星輪來共同分擔(dān)載荷。這樣行星輪所能分?jǐn)偟降妮d荷就顯得很小了 大大增加了其使用壽命。行星輪的材料和太陽輪是相同的 因此對(duì)太陽輪的強(qiáng)度校核結(jié)果可以輕松推斷行星輪的強(qiáng)度是滿足要求的。

2 嚙合齒輪計(jì)算結(jié)果分析

（a）求解圖

（b）應(yīng)力最大值

前處理完成后 對(duì)模型進(jìn)行求解 如圖4所示。齒根應(yīng)力分布特性是衡量齒輪傳動(dòng)性能的重要指標(biāo)。從輪齒嚙合狀態(tài)下的應(yīng)力和變形分布情況看 齒輪輪齒的應(yīng)力和變形主要分布嚙合齒對(duì)上。從ANSYS的求解結(jié)果可知：應(yīng)力最大值在齒根部位 且每個(gè)齒的最大應(yīng)力可達(dá)到116.78MPa 遠(yuǎn)遠(yuǎn)

小于許用應(yīng)力。故仿真的結(jié)果完全符合設(shè)計(jì)要求。表明此次方案設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中是可行且安全的。

3 結(jié)論

本文利用軟件Catia軟件建立了輪邊減速器三維實(shí)體模型 將太陽輪和行星輪嚙合副導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。針對(duì)輸入功率最大值180kw要求 利用Workbench平臺(tái)對(duì)膜片彈簧進(jìn)行太陽輪和行星進(jìn)行有限元計(jì)算。結(jié)果表明齒的最大應(yīng)力可達(dá)到116.78MPa 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊生華.齒輪接觸有限元分析[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2003，20（2）：189- 194.

[2] 屈文濤，沈允文，徐建寧.基于ANSYS的雙圓弧齒輪接觸應(yīng)力有限元分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2006，37（010）：139-141.

[3] 陳胡興，朱如鵬，孟祥戰(zhàn).基于ANSYS的雙圓弧齒輪彎曲應(yīng)力有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2005（02）：58-60.

[4] 魏延剛，趙宇恒，佟小佳.雙圓弧齒輪傳動(dòng)嚙合特性及彎曲應(yīng)力有限元分析[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2016.