淺談汽車(chē)行星系機構的結構分析論文

淺談汽車(chē)行星系機構的結構分析論文

　　前言

　　行星系結構傳動(dòng)具有傳動(dòng)比大、承載能力大、結構緊湊、傳遞運動(dòng)平穩等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用在工程機械、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，內齒圈常與機體相連接，并與行星輪嚙合以傳遞運動(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。針對行星傳動(dòng)中復雜結構及非承載部件，對有限元模型施加合適的約束以及適當的結構簡(jiǎn)化;根據重合度與齒間載荷分配系數，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(gè)行星系結構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行星系的系統參數

　　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規格的花鍵固定在橋殼上，太陽(yáng)輪上的運動(dòng)和動(dòng)力通過(guò)半軸輸入，行星架(汽車(chē)驅動(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)化清晰表達行星結構。

　　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構系內完成，本文通過(guò)catia三維軟件建立準確的三維模型;主要以表格內的零件以及行星銷(xiāo)進(jìn)行建模。為了有限元分析能夠準確反映出系統的受力狀態(tài)，為了使用ABAQUS中的接觸功能，齒輪在建模時(shí)需考慮一定的側隙;側隙的大小可以根據設計要求進(jìn)行選定。齒輪建模時(shí)需考慮齒輪的變位系數、齒形、修緣等細節，在齒輪方面的詳細細節就不在贅述。

　　1.3有限元模型的建模

　　catia生成的stp格式三維準確數模，導入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(lèi)型為C3D10單元28216+62398+49550*5+107995)。

　　1.4邊界條件的加載

　　取整橋的單側輪邊系統進(jìn)行研究，單側承載力為整橋承載力的一半。根據實(shí)際應用情況進(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系);太陽(yáng)輪保留軸向轉動(dòng)的自由度，采用全局坐標系。

　　為減少計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)際應用相符合。根據設計要求對耦合后的referencepoint施加6.9E6Nmm的扭矩載荷。

　　1.5有限元計算

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

　　2、計算結果分析

　　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—行星齒輪數量，nw=5;

　　ra—太陽(yáng)輪分度圓直徑，ra=38;

　　依據整橋的設計承載力計算得出太陽(yáng)輪輸入扭矩為6.9E6Nmm，根據中規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算方法》進(jìn)行計算從而可以得出齒輪的理論彎曲應力。計算過(guò)程中的重合度系數、載荷分布影響系數、齒形系數、應力修正系數等具體系數的選取本文不再贅述。計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算的對比

　　根據《GB/T3840-1997漸開(kāi)線(xiàn)圓柱齒輪承載能力計算方法》可以得出齒輪應力最大處發(fā)生在齒根，齒根過(guò)渡圓角對齒根彎曲應力的位置以及應力大小有較大影響;通過(guò)有限元分析計算可以看出齒輪應力最大處也是在齒根處，與之相配的齒輪齒頂處應力相等，這是由于相互作用力的結果;符合實(shí)際應用情況。

　　3、結論

　　在實(shí)際工程應用中，損壞較多的情況主要是行星輪和太陽(yáng)輪的磨損和打齒，齒圈損壞相對較少。通過(guò)兩種計算的分析可以看出應力最大處分別發(fā)生在齒輪的齒頂和齒根，當齒輪所受應力達到或超過(guò)齒輪材料的極限應力時(shí)就會(huì )發(fā)生打齒和劇烈磨損的現象最終導致輪邊損壞。通過(guò)有限元或理論計算可以準確分析出行星系統的承受最大載荷，有限元分析可以形象的反映出系統各部分的應力情況比較直觀(guān)，而理論計算分析能夠系統的反映行星系統的各結構的受力情況，二者結合能夠較好的反映結構的承載情況。

　　在實(shí)際齒輪設計過(guò)程中齒形、變位系數等相關(guān)系數的的選取一般是保證兩個(gè)齒輪的強度、壽命基本相同，這樣才能有利于便于維護保養、增加可維護性;最終降低維護成本，增加齒輪的有效使用效率。

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