某輪邊齒輪減速器嚙合齒輪的有限元分析

馬學剛 陳晨 王玲芝 尹宗軍 蘇蓉 吳俊

摘 要：輪邊減速器是車輛最后一級傳動裝置 其經受的扭矩也是最大的 所以減速器的強度和結構至關重要。因此對其結構的設計要科學合理。文章利用軟件Catia軟件建立了輪邊減速器三維實體模型 抽取了太陽輪和行星輪嚙合副模型以IGS格式導入到ANSYS軟件中進行網格劃分。針對輸入功率最大值180kw要求 利用Workbench平臺對膜片彈簧進行太陽輪和行星輪嚙合副有限元計算 最后得到了該嚙合副Mises應力云圖。

關鍵詞：輪邊減速器;有限元分析;應力云圖

中圖分類號：U467? 文獻標識碼：B? 文章編號：1671-7988（2020）18-138-03

Abstract： Wheel reducer is the last transmission device of the vehicle， and its torque is also the largest， so the strength and structure of the reducer are crucial. Therefore， the design of its structure should be scientific and reasonable. In this paper， the three-dimensional solid model of wheel reducer is established by CATIA software. The meshing pair models of sun gear and planetary gear are extracted and imported into ANSYS software with IGS format for mesh generation. According to the requirement of the maximum input power of 180kW， the finite element calculation of the meshing pair of sun gear and planetary gear is carried out by using workbench platform， and the Mises stress nephogram of this meshing pair is obtained.

Keywords： Hub Reduction Gear; Finite Element Analysis; Stress Nephogram

CLC NO.： U467? Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）18-138-03

前言

對于重型貨車、礦用車和越野車等需要較的大傳動比 因此需要采用輪邊減速器作為最后一級減速。輪邊減速器的結構主要為三部：太陽輪、行星輪和行星架。采用輪邊減速器的優點之一就是可以保證在實現總傳動比不變的情況下 使傳動軸等部件的承受力減小 并且可以縮小這些零部件的尺寸。輪邊減速器的通過齒輪傳動的方式降低速度 增大扭矩。從而獲取更大的動力。

楊生華[1]通過接觸仿真分析研究了通用接觸單元在輪齒變形和接觸應力計算中的應用。建立了一對齒輪接觸仿真分析的模型 并使用新的接觸單元法計算了輪齒變形和接觸應力。屈文濤[2]利用ANSYS軟件的參數化設計語言APDL建立雙圓弧齒輪的三維有限元單齒對接觸靜態模型 并基于ANSYS/LSDYNA建立了柔性體多齒動態接觸模型 并對齒輪進行了動態接觸分析。陳胡興[3]利用ANSYS的參數化設計語言（APDL）建立雙圓弧齒輪的三維實體 形成相應有限元模型 對輪齒彎曲應力進行了分析。本文以某車型輪邊減速器為研究對象 依據該輪邊減速器的結構特點和工作特性[4] 對太陽輪和行星輪嚙合副進行了靜力學分析。

1 嚙合齒輪有限元分析模型建立

1.1 輪邊齒輪減速器嚙合齒輪受力分析

對于各個零件的設計要求應滿足尺寸安裝 功率達標 壽命長久等。因此規定該輪邊減速器的所達到的要求：1）應滿足的輸入功率最大值pe：180kw;2）在工作期間的額定轉速：40km/h（600r/min）;3）規定減速比達到5：1;4）在工作期間的額定轉速n：40km/h（600r/min）。

1.2 嚙合齒輪幾何模型建立

首先對三維復雜模型（如有倒角等細節）進行模型的簡化 其目的是為了降低求解難度。然后轉化模型類型 導入ANSYS 進行前處理。在前處理模塊中 按照要求對模型進行操作處理 定義好一系列的條件 包括網格劃分、添加約束和設定載荷等。最后進行后處理 求解模。

在CATIA中首先將模型進行裝配 如圖2所示 在裝配過程中確保太陽輪和行星輪上各自的分度圓市相切的 且齒輪面是相互接觸的。

由于CATIA和ANSYS中的文件格式不同 為了能將CATIA文件導入ANSYS軟件當中 將裝配好的文件進行保存。保存的格式選擇為igs。打開ANSYS界面 選擇static structural（靜態結構）選擇geometry 右擊導入保存的CATIA裝配圖 此時格式后綴為.igs。

1.3 材料模型的建立

本文中太陽輪和行星輪選取的是40CrMnMo。假設其材料為各向同性材料 其選取材料參數如下表2所示。

1.4 初邊界條件的確定和網格劃分

接下來對模型添加約束條件 對行星輪進行固定。對太陽輪添加受力 在定義框內輸入從扭矩換算出的力偶數值955000N·mm。

前處理中重要的一步就是網格劃分。對網格進行劃分 在這里我們將網格劃劃分為單元長度為5mm 如圖3所示。

在減速器中行星輪系最顯著的作用就是可以功率分流 在本次的方案中采用了5個完全相同的行星輪來共同分擔載荷。這樣行星輪所能分攤到的載荷就顯得很小了 大大增加了其使用壽命。行星輪的材料和太陽輪是相同的 因此對太陽輪的強度校核結果可以輕松推斷行星輪的強度是滿足要求的。

2 嚙合齒輪計算結果分析

（a）求解圖

（b）應力最大值

前處理完成后 對模型進行求解 如圖4所示。齒根應力分布特性是衡量齒輪傳動性能的重要指標。從輪齒嚙合狀態下的應力和變形分布情況看 齒輪輪齒的應力和變形主要分布嚙合齒對上。從ANSYS的求解結果可知：應力最大值在齒根部位 且每個齒的最大應力可達到116.78MPa 遠遠

小于許用應力。故仿真的結果完全符合設計要求。表明此次方案設計在實際應用中是可行且安全的。

3 結論

本文利用軟件Catia軟件建立了輪邊減速器三維實體模型 將太陽輪和行星輪嚙合副導入到ANSYS軟件中進行網格劃分。針對輸入功率最大值180kw要求 利用Workbench平臺對膜片彈簧進行太陽輪和行星進行有限元計算。結果表明齒的最大應力可達到116.78MPa 遠遠小于許用應力。

參考文獻

[1] 楊生華.齒輪接觸有限元分析[J].計算力學學報，2003，20（2）：189- 194.

[2] 屈文濤，沈允文，徐建寧.基于ANSYS的雙圓弧齒輪接觸應力有限元分析[J].農業機械學報， 2006，37（010）：139-141.

[3] 陳胡興，朱如鵬，孟祥戰.基于ANSYS的雙圓弧齒輪彎曲應力有限元分析[J].機械設計，2005（02）：58-60.

[4] 魏延剛，趙宇恒，佟小佳.雙圓弧齒輪傳動嚙合特性及彎曲應力有限元分析[J].大連交通大學學報， 2016.