淺談汽車(chē)行星系機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析論文

　　前言

　　行星系結(jié)構(gòu)傳動(dòng)具有傳動(dòng)比大、承載能力大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞運(yùn)動(dòng)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(chē)等各種工業(yè)領(lǐng)域。工業(yè)用行星系主要是由太陽(yáng)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(dòng)和動(dòng)力。

　　本文以重型汽車(chē)輪邊為NGW型五個(gè)直齒行星的傳動(dòng)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(duì)行星傳動(dòng)中復(fù)雜結(jié)構(gòu)及非承載部件，對(duì)有限元模型施加合適的約束以及適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化;根據(jù)重合度與齒間載荷分配系數(shù)，對(duì)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(gè)行星系結(jié)構(gòu)的受力情況以及變形情況。

　　1、有限元模型的建立和求解

　　1.1行星系的系統(tǒng)參數(shù)

　　太陽(yáng)齒輪、五個(gè)行星齒輪和齒圈及齒圈支架均為漸開(kāi)線(xiàn)直齒圓柱齒輪;齒圈與齒圈支架通過(guò)相互配合固定在一起，齒圈支架通過(guò)DIN5480規(guī)格的花鍵固定在橋殼上，太陽(yáng)輪上的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力通過(guò)半軸輸入，行星架(汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋輪邊的鐘形轂)輸出最后傳遞到輪胎上。太陽(yáng)輪、行星輪和齒圈的材料均采用20CrMnMoH的滲碳淬火鋼。為簡(jiǎn)化清晰表達(dá)行星結(jié)構(gòu)。

　　1.2三維實(shí)體模型的建模

　　輪邊行星系動(dòng)力傳遞主要是在齒輪結(jié)構(gòu)系內(nèi)完成，本文通過(guò)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(xiāo)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(shí)需考慮一定的側(cè)隙;側(cè)隙的大小可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選定。齒輪建模時(shí)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(jì)算成本，模型的網(wǎng)格劃分采用abaqus中tetfree進(jìn)行劃分(單元類(lèi)型為C3D10單元28216+62398+49550*5+107995)。

　　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(jiǎn)化模型，減少計(jì)算量將齒圈支架與齒圈合并為一個(gè)零件，行星架與行星銷(xiāo)合并為一個(gè)零件，行星輪保留軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度(建立行星輪軸向約束時(shí)需建立行星軸的局部坐標(biāo)系);太陽(yáng)輪保留軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，采用全局坐標(biāo)系。

　　為減少計(jì)算量和更好的劃分網(wǎng)格，將太陽(yáng)輪花鍵進(jìn)行簡(jiǎn)化;簡(jiǎn)化為光滑內(nèi)表面，通過(guò)建立的referencepoint點(diǎn)用ABAQUS中的耦合功能與太陽(yáng)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(jì)要求對(duì)耦合后的referencepoint施加6.9E6Nmm的扭矩載荷。

　　1.5有限元計(jì)算

　　有限元計(jì)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(gè)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。

　　2、計(jì)算結(jié)果分析

　　2.1齒輪的受力情況

　　Fica=1000×Ta/(nw×ra)

　　式中：

　　Ta—太陽(yáng)輪輸入扭矩，6.9E6Nmm;

　　nw—行星齒輪數(shù)量，nw=5;

　　ra—太陽(yáng)輪分度圓直徑，ra=38;

　　依據(jù)整橋的設(shè)計(jì)承載力計(jì)算得出太陽(yáng)輪輸入扭矩為6.9E6Nmm，根據(jù)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(kāi)線(xiàn)圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法》進(jìn)行計(jì)算從而可以得出齒輪的理論彎曲應(yīng)力。計(jì)算過(guò)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(jì)算得出行星輪和太陽(yáng)輪的彎曲為724MPa。

　　2.2理論分析與有限元計(jì)算的對(duì)比

　　根據(jù)《GB/T3840-1997漸開(kāi)線(xiàn)圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法》可以得出齒輪應(yīng)力最大處發(fā)生在齒根，齒根過(guò)渡圓角對(duì)齒根彎曲應(yīng)力的位置以及應(yīng)力大小有較大影響;通過(guò)有限元分析計(jì)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(yáng)輪的磨損和打齒，齒圈損壞相對(duì)較少。通過(guò)兩種計(jì)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(guò)齒輪材料的極限應(yīng)力時(shí)就會(huì)發(fā)生打齒和劇烈磨損的現(xiàn)象最終導(dǎo)致輪邊損壞。通過(guò)有限元或理論計(jì)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(jì)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(jì)過(guò)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(gè)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。

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