電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器行星架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

胡濤

（廣東肇慶愛龍威機(jī)電有限公司，廣東 肇慶526000）

0 引 言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求越來越高，在滿足基本性能的前提下，對(duì)噪聲、價(jià)格、質(zhì)量、安全等方面提出了更多更高的要求。行星架作為驅(qū)動(dòng)器中的重要零件，承受的外力矩比較大，它的變形直接影響到齒輪的受力狀態(tài)，從而間接的影響到整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的噪聲、齒輪壽命[1]。

文中基于ANSYS Workbench軟件，綜合考慮制造工藝和組裝工藝，結(jié)合實(shí)際受力狀態(tài)，對(duì)現(xiàn)有的行星架進(jìn)行理論分析和有限元分析，通過公式分析其變形趨勢(shì)，以此指導(dǎo)有限元分析和優(yōu)化方向，校核對(duì)比優(yōu)化前后的強(qiáng)度與剛度，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了達(dá)到了減重、降低成本、增加壽命的效果，并且為噪聲的改善創(chuàng)造了條件。

1 現(xiàn)狀分析

圖1（a）為傳統(tǒng)的行星架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在制造精度相對(duì)較差、耐久性不好、扇形結(jié)構(gòu)邊角處容易出現(xiàn)裂紋等問題，故而現(xiàn)有設(shè)計(jì)摒除了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。現(xiàn)有的行星架由一個(gè)金屬支架、一個(gè)輸出齒和10根軸（5根φ5的軸和5根φ3的軸）組成，如圖1（b）所示，其中，φ5的軸與行星輪配合并用于提高行星架抗扭剛度，φ3的軸用于加強(qiáng)剛度，進(jìn)一步保證傳動(dòng)的平穩(wěn)性，從而提高齒輪的壽命、傳動(dòng)效率和改善噪聲。

圖1 行星架構(gòu)造

為進(jìn)一步改善產(chǎn)品，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，要求在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)模具進(jìn)行微修，在保持當(dāng)前剛度、強(qiáng)度、產(chǎn)品壽命、噪聲水平的前提下，實(shí)現(xiàn)減輕質(zhì)量、降低成本等目標(biāo)。

圖1（b）所示零件的材料及其力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)如表1所示。輸出齒輸出轉(zhuǎn)矩Toutput=270 N·m。

表1 行星架零件材料力學(xué)性能表

2 行星架受力分析與變形趨勢(shì)估算

為更好地進(jìn)行受力分析，需要對(duì)現(xiàn)有的行星架作簡(jiǎn)化等效處理，此處將行星架的1/5模型作為研究對(duì)象，同時(shí)為了更好地做出趨勢(shì)判斷，為優(yōu)化方向提供更好的思路，先以一根大軸作為分析對(duì)象，如圖2（a）所示。

圖2 受力分析模型

圖2（b）為行星架受力簡(jiǎn)化模型圖，圖中E為軸材料的彈性模量，F(xiàn)為軸的支撐反力，L為軸懸臂長(zhǎng)度，I為其慣性矩，圓形截面梁的慣性矩I=πd4/64，d為軸的直徑，Ymax為軸的最大撓度，根據(jù)懸臂梁的撓度方程[2]Ymax=-FL3/（3EI），從而得到Y(jié)max=-64FL3/（3πEd4）。由上式可知，對(duì)撓度影響最大的因子是軸的直徑，其次是懸臂長(zhǎng)，最后是支承反力和材料屬性。因此，優(yōu)化的首要目標(biāo)選擇軸的直徑，由于懸臂長(zhǎng)的改動(dòng)會(huì)影響內(nèi)齒圈、太陽輪、行星輪的長(zhǎng)度改動(dòng)，為盡可能減少模具的改動(dòng)，故對(duì)懸臂長(zhǎng)不作任何改動(dòng)。

根據(jù)上述分析，結(jié)合目前行星架5根φ5的軸和5根φ3的軸組合情況，可以考慮以5根φ6的軸來替代現(xiàn)有的軸的組合，達(dá)到優(yōu)化的目的，前提是需要保證軸的強(qiáng)度、剛度不降低。由于實(shí)際情況是大小軸的組合受力，且大小軸扭力對(duì)應(yīng)的半徑也不同，情況相對(duì)復(fù)雜，為此，采用ANSYS Workbench軟件對(duì)現(xiàn)有的和優(yōu)化后的行星架方案進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的校核對(duì)比。

3 行星架靜力學(xué)有限元分析

1）方案模型簡(jiǎn)化。為方便計(jì)算，在不影響結(jié)果對(duì)比的基礎(chǔ)上，現(xiàn)對(duì)原有方案和優(yōu)化方案模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，取1/5模型為研究分析對(duì)象，簡(jiǎn)化后效果如圖3所示。

圖3 方案簡(jiǎn)化模型

2）實(shí)際工況分析。輸出齒輸出轉(zhuǎn)矩Toutput=270 N·m，為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，均分到原方案中的每根大軸和小軸或者優(yōu)化方案中的每根大軸轉(zhuǎn)矩為T=270×1/5=54 N·m，此時(shí)金屬支架按固定等效。

3）有限元模型建立。為有利于網(wǎng)格劃分，對(duì)輸出齒不必要的部分刪除、對(duì)金屬支架和輸出齒作剛體處理。為了保證有限元分析結(jié)果精確度，對(duì)軸與支架、軸與輸出齒連接部分的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，其余部分網(wǎng)格可以相對(duì)較大，以此保證計(jì)算精度的同時(shí)控制計(jì)算的規(guī)模。

4）計(jì)算結(jié)果分析。根據(jù)實(shí)際工況、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、受力方式等因素，對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行邊界設(shè)置和載荷施加，如圖4所示。

分析計(jì)算強(qiáng)度結(jié)果如圖5所示，從圖中可知，最大應(yīng)力在軸與輸出齒交界處，此處由于存在面與線的接觸，會(huì)有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，因此應(yīng)當(dāng)以附近局部應(yīng)力為參考，由圖中局部應(yīng)力顯示可知，所受應(yīng)力有所減小，可知新方案中的軸的強(qiáng)度得到了提高。

圖5 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

分析計(jì)算的剛度結(jié)果如圖6所示，由圖中可知，原有方案在堵轉(zhuǎn)時(shí)軸的變形比優(yōu)化方案軸的變形要大一倍以上。

圖6 剛度計(jì)算結(jié)果

新舊兩種方案在不同載荷下軸的具體變形對(duì)比如圖7所示，從圖7可知，在堵轉(zhuǎn)負(fù)載以下的任何載荷，優(yōu)化方案的變形量都要比原方案的小，結(jié)果表明此優(yōu)化方案切實(shí)可行。

圖7 不同載荷下剛度計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

根據(jù)優(yōu)化方案，選取4個(gè)驅(qū)動(dòng)器，取其中2個(gè)驅(qū)動(dòng)器中的行星架進(jìn)行擴(kuò)孔并配備相應(yīng)數(shù)量φ6的軸，組合安裝后便有2個(gè)原有結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器和2個(gè)優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)器，然后按照負(fù)載15 N·m、正轉(zhuǎn)2 s、堵轉(zhuǎn)0.5 s、反轉(zhuǎn)2 s、堵轉(zhuǎn)0.5 s的順序分別在不同的溫度、濕度條件下運(yùn)行不同的次數(shù)，總體保證15萬個(gè)循環(huán)，此外還要保證低溫測(cè)試后休息10 s，高溫測(cè)試后休息25 s。部分實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖8所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后新舊兩個(gè)行星架及行星輪皆運(yùn)行良好，無任何損傷，如圖9所示。

圖8 疲勞實(shí)驗(yàn)方案

圖9 疲勞過后原方案及優(yōu)化方案的行星架對(duì)比

通過實(shí)驗(yàn)可知，新舊兩種方案的驅(qū)動(dòng)器在完成15萬個(gè)循環(huán)后，都依舊運(yùn)行良好。結(jié)果充分說明優(yōu)化后的方案完全能夠替代舊的方案。此外，通過對(duì)新舊驅(qū)動(dòng)器在相同環(huán)境、相同負(fù)載情形下的噪聲對(duì)比，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)器主觀噪聲感要好，這也說明了軸的變形量會(huì)影響齒輪之間的配合精度。

5 結(jié) 語

通過對(duì)現(xiàn)有行星支架的分析、優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，充分證實(shí)新的優(yōu)化方案確實(shí)能達(dá)到最初的目標(biāo)，主要效果體現(xiàn)如下：1）減輕了行星架的質(zhì)量，由原來的200 g降低至197.75 g；2）降低了行星架的成本，軸的成本降低了近一半；3）減少了裝配軸的數(shù)量，降低了裝配精度要求，提高了裝配的效率；4）減少了軸的變形量，增加了軸的強(qiáng)度和剛度；5）理論上能提高齒輪的壽命，通過實(shí)驗(yàn)至少證明了滿足客戶的疲勞壽命要求；6）有利于改善齒輪的嚙合狀況，提高了驅(qū)動(dòng)器的效率，間接改善了齒輪箱的噪聲問題。