關(guān)鍵詞:電動汽車;減速器;有限元分析
0 引言
隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展和汽車保有量的不斷增加,污染物排放日益增加,環(huán)境問題越來越突出,新能源汽車的開發(fā)成為汽車行業(yè)未來發(fā)展的主要趨勢[1]。減速器是電動汽車傳動系統(tǒng)的核心零部件之一,直接承受著電機(jī)和車輪的轉(zhuǎn)動沖擊,其壽命的長短直接影響電動汽車的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。因此研究及開發(fā)新能源汽車的減速器具有重要意義[2]。
1 方案的選擇
行星齒輪減速器又稱為行星減速機(jī)、伺服減速機(jī),受到廣泛的應(yīng)用。由于替代固定傳動軸的傳動,多個行星輪之間分?jǐn)傌?fù)荷,因而要合理利用內(nèi)部齒輪裝置,提高效率。相對于其他減速器,行星減速器具有體積小、效率高、傳動比范圍較大和受到載荷影響小的優(yōu)點(diǎn)。
圓柱形齒輪減速器采用滲碳、淬火和磨牙等方法生產(chǎn),具有較高的承載能力和較低的噪聲水平,因此常用于機(jī)械輸送方面,也用于其他通用機(jī)械的傳動機(jī)構(gòu)。它具有承載力高、壽命長、體積小、效率高和質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。齒輪的分類主要有斜齒、直齒和人字齒。直齒主要用于低速和低負(fù)荷傳輸領(lǐng)域;斜齒輪因為其可以擁有比較高的傳動速度,常常用于汽車減速器等。經(jīng)綜合考慮,本文選用斜齒輪為該減速器的主要傳動齒輪。
2 減速器設(shè)計
用于汽車傳動的減速器齒輪需要考慮的因素較多。直齒圓柱齒輪應(yīng)力的要求比較低,斜圓柱形齒輪相對于直齒圓柱齒輪優(yōu)點(diǎn)比較多,所以本次設(shè)計選用斜圓柱齒輪。根據(jù)減速器的實(shí)際工況,齒輪材料選用40Cr,并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,齒輪精度為五級,選擇磨齒工藝。
根據(jù)GB/T18385-2005《電動汽車動力性能試驗方法》的要求[3],針對傳動比對車輛行駛的最高車速和爬坡度的影響兩方面進(jìn)行計算,得出減速器速比應(yīng)該介于7 ~ 9 之間,且可以滿足汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性的設(shè)計要求。根據(jù)相關(guān)資料和標(biāo)準(zhǔn),最終確定了總傳動比為8.7,將其合理分配,第一級速比為3.4,第二級速比為2.5。按照公式(1)計算齒輪齒數(shù)。
第一級主動齒輪齒數(shù)選擇為21,由公式(1)可計算得到第一級從動齒輪齒數(shù)為72。
第二級主動齒輪齒數(shù)選擇為24,由公式(1)可計算得到第二級從動齒輪齒數(shù)為61。
運(yùn)用CATIA 軟件對減速器的各個部件進(jìn)行單獨(dú)建模設(shè)計,然后通過裝配模塊進(jìn)行組裝,最終得到斜圓柱齒輪減速器的三維模型(圖1)。
3 齒輪的強(qiáng)度分析
有限元分析過程包括有限元模型的建立、網(wǎng)格單元的劃分、材料屬性的定義、載荷邊界條件的施加、數(shù)據(jù)分析處理和計算以及分析結(jié)果可視化與輸出。
由于齒輪是主要承載件,因此利用Workbench 對齒輪進(jìn)行有限元分析,從而保證設(shè)計的可靠性。齒輪選用的材料為40Cr,密度為7 820 kg/m3,泊松比為0.227,彈性模量為211 GPa,材料屈服強(qiáng)度約為900 MPa。首先對齒輪進(jìn)行粗略網(wǎng)格劃分,進(jìn)而調(diào)整相關(guān)參數(shù),進(jìn)行詳細(xì)劃分與更新。
確定其邊界條件及約束,應(yīng)對齒輪添加荷載,在齒輪受力處添加扭矩,進(jìn)而對齒輪進(jìn)行強(qiáng)度分析,得出齒輪的應(yīng)力云圖和齒輪位移云圖(圖2 和圖3)。由圖2 和圖3 可以看出,在施加約束后齒輪的最大位移為0.567 mm,且在此情況下齒輪的最大應(yīng)力為752 MPa,小于材料的屈服應(yīng)力900 MPa,所以齒輪的強(qiáng)度滿足設(shè)計的要求。
4 軸的強(qiáng)度分析
傳動軸選用的材料為40Cr,同樣對其進(jìn)行有限元計算,對網(wǎng)格劃分完畢的傳動軸,施加相應(yīng)的約束和扭矩載荷。通過計算得出傳動軸的應(yīng)力分布圖和位移云圖(圖4 和圖5)。
由圖4 和圖5 可以看出,施加約束后傳動軸的最大位移為0.135 mm,在此情況下傳動軸的最大應(yīng)力為655 MPa。從圖中可以看出,應(yīng)力集中于前半段部分的臺肩處,小于材料的屈服應(yīng)力800 MPa,所以傳動軸的強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計的要求。
5 結(jié)論
本文對電動汽車的減速器進(jìn)行了設(shè)計,計算了傳動比,確立了齒輪參數(shù),并且選定了相關(guān)材料。在Workbench 軟件中導(dǎo)入了減速器的齒輪和傳動軸模型,針對應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行了計算分析,結(jié)果顯示二者均符合材料的力學(xué)性能。因此可以滿足工程使用要求,對電動汽車減速器的開發(fā)設(shè)計具備一定的工程參考價值。