NW型輪邊減速器關鍵零部件的承載能力分析

王海霞，信 穩(wěn)，李鐵峰

（1.洛陽理工學院，河南 洛陽 471023；2.常熟理工學院，江蘇 常熟 215500；3.洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司，河南 洛陽 471039）

0 引言

輪邊減速器作為電動汽車的核心驅動部件，安裝在輪轂中，為汽車行駛提供驅動力。輪邊減速器與電機集成后可組成獨立驅動單元（以下簡稱“電動輪”），不但能實現車輛的四輪獨立驅動，提高車輛的通過性和對惡劣路面的適應性，同時由于取消了內燃機及機械傳動系統(tǒng)等，使整車結構更加簡潔，布局更加合理。而輪邊減速器在礦用汽車上的應用對提高整車動力學、減少環(huán)境污染和降低成本具有重要意義。

目前國內外已相繼開發(fā)出一系列輪邊減速器，應用于大型礦用自卸車及工程車輛中，其中以NW型[1]和2K-H型行星減速器[2]為主。關于大型工程車輛輪邊減速器的研究從動態(tài)均載[2]、雙聯齒輪的錯位量[3]、系統(tǒng)動力學分析和可靠性分析[6]等方面陸續(xù)展開。

本文設計了一款輸出扭矩為222 405 Nm的NW型輪邊減速器，通過MASTA軟件初步設計其結構參數并校核減速器各齒輪的強度和受力，然后進行三維有限元分析轉架、內齒圈-輪轂等關鍵零部件的強度，為進一步的結構優(yōu)化提供設計依據。

1 NW型輪邊減速器結構設計

1.1 輪邊減速器結構原理設計

NW型輪邊減速器采用兩級齒輪傳動，其傳動原理為：電動機輸出軸通過花鍵套筒帶動中心太陽輪旋轉，太陽輪與三個大行星輪嚙合，將行星輪的轉速傳給同軸的小行星輪，三個小行星輪同時與內齒圈嚙合，將動力輸出給汽車輪轂。該NW減速器的結構特點為：電機、大行星輪、小行星齒輪軸均用軸承支承在轉架上，組成定軸傳動；中心太陽輪軸采用中空細長軸且懸伸較長，當太陽輪同時與三個大行星輪嚙合時，由太陽輪浮動實現徑向方向的均載；大行星齒輪副內孔和小行星齒輪軸過盈連接形成雙聯齒輪，在小行星齒輪軸兩端安裝滾動軸承進行支承；三個小行星輪同時與內齒圈嚙合，內齒圈軸線與中心太陽輪軸線同軸。該輪邊減速器具有結構緊湊、傳動比大、均載性能好等優(yōu)點。

1.2 輪邊減速器參數設計

齒輪材料為17CrNiMo6，彎曲強度為530 MPa，接觸強度為1 650 MPa，外齒輪精度6級，內齒圈精度為7級；軸的材料為42CrMo。輸入轉速404 rpm，輸出扭矩 222 405 Nm，功率為326.7 KW，傳動比為28.8。

采用MASTA軟件進行輪邊減速器齒輪副參數設計計算并進行強度校核。圖1為中心太陽輪和大行星輪組成的高速級齒輪副，而低速齒輪副由小行星輪和內齒圈組成，如圖2所示。高速級齒輪副和低速級齒輪副的設計參數如表1所示。

表1 齒輪副參數設計

圖1 高速級齒輪副

圖2 低速級齒輪副

1.3 輪邊減速器的三維模型

根據設計參數在三維軟件中建立NW型輪邊減速器的模型，如圖3所示。

圖3 輪邊減速器的三維模型

2 關鍵零部件的有限元強度分析

2.1 轉架有限元強度分析

轉架作為行星齒輪支承構件，結構復雜，承受力矩大，其結構強度和變形對行星輪的均載具有重要的影響。因此建立行星架三維模型，取其最大載荷工況為計算工況，利用Ansys軟件對其結構強度進行有限元分析，研究轉架的應力分布及變形情況。根據齒輪嚙合原理，行星輪與內齒圈的法向力及行星輪與太陽輪的法向力均相切于行星輪基圓，根據輪邊減速器最大載荷工況，計算行星輪支撐軸載荷，如表2所示。根據受力計算出軸承徑向載荷，各軸承徑向載荷如表3所示。該NW型輪邊減速器為定軸傳動，故將載荷分別沿圓周方向施加在小行星齒輪軸上，軸承支承處按圓周120°施加載荷，同時在轉架法蘭處施加全約束。

表2 行星輪軸載荷

經計算，低速級行星齒輪的應力和變形最大，最大應力為120.72 MPa，位于小行星齒輪軸右端軸承支承處，該處變形量為0.091 6 mm。

表3 軸承徑向載荷

由于轉架左端法蘭固定，導致轉架的彎曲變形在右端較為明顯，最大變形量為0.274 55 mm；由于轉架最大應力出現在小行星齒輪軸支承處，最大應力為120.72 MPa，故可適當提高該軸承座結構處局部剛度；已知轉架材料為ZG42CrMo，其屈服極限應力為400 MPa，故該轉架滿足結構靜強度使用要求。

2.2 內齒圈-輪轂部件有限元強度分析

已知內齒圈-輪轂工作過程中，內齒圈-輪轂要承受行星輪系施加的扭矩，并帶動輪胎進行轉動，故在定義邊界條件時可在內齒圈上根據行星輪的嚙合位置施加載荷，并在輪轂外圓面上施加反向扭矩。

分析可知，內齒圈-輪轂最大受力為59.528 MPa，而齒圈的彎曲疲勞強度為530 MPa，滿足強度使用要求。最大應力位于內齒圈與輪轂結合處，該連接處剛度薄弱，可進一步改善其結構。內齒圈最大變形量為0.118 84 mm，通過內齒圈的彈性變形，可實現與三個小行星齒輪的徑向浮動，達到均載的效果。

3 結語

通過對NW輪邊減速器進行合理的結構參數設計，建立輪邊減速器的三維模型，并利用有限元軟件進行強度計算，根據計算結果可進一步優(yōu)化設計結構，從而設計出體積小、傳動比大、均載效果好和性能可靠的輪邊減速器。