轮边减速器行星齿轮机构仿真分析与试验研究

轮边减速器行星齿轮机构仿真分析与试验研究

高东益 ,余东

高东益  身份证号码：3302821984****4068

余东身份证号码：3302821983****3672

摘要：轮边减速器作为重型汽车驱动桥的二级减速机构，一般安装在轮毂的中央。轮边减速器机构可以明显减小位于车桥中部的主减速器的整体尺寸，保证车辆有足够的离地间隙，广泛应用于越野能力较高的重型卡车。轮边减速器采用行星齿轮机构，一般采用直齿圆柱行星齿轮。由于行星齿轮机构是最后一级减速机构，其承载扭矩很大，工作过程中轮齿接触应力可能过大，容易造成点蚀、剥落、轮齿变形甚至断齿等问题。因此，轮齿之间的接触和碰撞对其强度是一个极大的考验。

关键词：轮边减速器；行星齿轮机构；仿真分析；试验研究；

行星齿轮机构是轮边减速器的关键部件。以某公司新开发的轮边减速器为模型，在SolidWorks中建立其三维模型，运用ANSYS Workbench有限元分析软件对其进行接触应力分析，查找其薄弱环节。仿真分析结果与台架试验结果基本一致，为轮边减速器的设计提供参考。

一、减速器动力学分析

1.齿轮传动动力学研究现状。近年来，人们围绕齿轮动力学开展了深入的研究并相继提出了扭转型模型、啮合耦合型模型和转子耦合型模型等几种更为复杂的动力学分析模型，模型中考虑了时变啮合刚度、系统中各组成元件的非线性、轮齿间摩擦力、阻尼以及激励效应。研究了参数激励和齿侧间隙的相互作用，用摄动方法研究了一对齿轮副中存在的跳跃、超谐波振动、亚谐波振动、混沌等复杂的非线性现象。分析了齿轮副表面误差及安装误差等对齿轮动态性能的影响。利用机械振动理论、动力分析有限元法，结合齿轮啮合理论，配合有关试验手段，研究斜齿轮系统耦合振动的动力学建模问题，同时进行了结合部参数识别。模型的求解方法主要有两种，一是解析法，这种方法不追求模型的精细化，只研究单自由度或自由度较少的多自由度的系统，主要目的在于揭示齿轮传动中的各种复杂的非线性动力学现象。另一种方法是数值方法，主要用于自由度较多的系统，追求精细的数学模型，以使其分析结果更接近实际。在模型中考虑的因素和基本假设上，许多研究者提出的模型有相当大的差异，但都声称和实验吻合很好。

2.行星齿轮传动动力学研究现状。与普通齿轮传动相比，行星轮系不仅结构复杂，零件数更多，而且运动方式也非常特殊，还存在过约束。它既有太阳轮与行星轮的外啮合传动，同时又有行星轮与内齿圈的内啮合传动，而且行星轮在绕自身轴线旋转地同时还绕太阳轮与内齿圈、行星架的共同轴线旋转，这样不仅给结构设计带来困难，也给运动分析带来很大不便。由于对过约束系统的动力学研究必须涉及系统的弹性变形以及弹性变形之间的协调条件，不能用刚体动力学模型进行研究，而必须采用弹性动力学的方法。因此，其动力学研究的难度比普通齿轮传动大得多，到目前为止，对行星齿轮传动的动力学研究多以简单的单级传动为对象。我国在行星齿轮传动动力学性能方面的研究正逐步深入，目前也有一些部门正从事于行星齿轮传动的运动学、动力学、浮动、均载、传动装置优化设计等问题的研究。在齿轮动态性能的研究方面，虽然起步较晚，但在吸收国外研究的基础上，结合实际问题进行分析研究，也取得了喜人的成绩。对行星齿轮传动非线性动力学进行了比较系统的研究，如封闭行星齿轮传动系统扭振特性分析，星型齿轮传动非线性动力学建模与动载荷研究，行星齿轮传动非线性动力学模型与方程等。研究了基于相位调谐的直齿行星齿轮传动动力学问题以及斜齿行星齿轮系统自由振动特性分析；应用键合图法对双驱动卷扬机多流传动系统进行了动态性能分析；用谐波平衡法研究了线性刚度下的问隙非线性“振．冲”问题。

二、受力分析

1.结构及工作原理。轮边减速器将半轴传递的动力传给车轮是应用于主减速器和车轮之间的独立传动装置，其主要功能是增大转矩、降低转速。其动力传递路线如图1所示。内齿圈与车桥桥壳固定连接，相对于整个行星轮系固定不动；轮边减速器的太阳轮与驱动桥半轴相连接，作为动力输入机构；太阳轮带动行星轮，行星轮带动行星架；行星架带动轮毂转动，从而驱动车轮行驶。该结构具有制造简单、安装方便、尺寸小、重量轻、传动比大、传动效率高等特点，广泛应用在重型载货汽车上。

图1轮边减速器工作原理及动力传递示意图     图2轮边减速器装配体

图2所示的轮边减速器为某厂新设计开发的产品，采用了直齿圆柱行星齿轮结构，为所参考的原始模型。

2.齿轮啮合状态下内应力及变形分析。取啮合状态下太阳轮的轮齿内部微小单元，对其进行受力分析，如图3所示。

图3轮齿内部单位受力示意图

三、有限元分析及试验对比

1.三维模型的建立。根据此轮边减速器结构，利用三维建模软件Solidworks建立太阳轮、行星轮、内齿圈模型，并按标准中心距对其进行装配，得到其三维几何模型，表1为齿轮参数。

表1行星齿轮机构参数

太阳轮与行星轮的材料为Cr-Ni-Mo合金钢，密度为1.57×10-5 kg/mm3，弹性模量为2.08×105 MPa，泊松比为0.3，内齿圈采用42CrMo合金钢，其密度和弹性模量分别为1.57×10-5 kg/mm3、2.06×105 MPa，泊松比与太阳轮、行星轮相同。

2.载荷的加载及约束。将内齿圈的外表面设置为全约束，禁止其转动及位移。太阳轮设置其绕z轴转动，并在其内表面加载4 000N·m的转矩；行星轮设置转动约束，并约束其在z轴方向的位移。

3.网格划分。网格数目增加，计算精度也会相应提高，但同时会导致计算规模的急剧增大；相反，减少网格数目会节省计算时间，但分析结果的精度无法保证。因此，网格数目的多少将直接影响计算的精确度和计算规模的大小。在划分网格时，应该做好两者的平衡关系。轮齿部位是行星齿轮传动受力的主要部件。为了保证计算结果的准确性，对轮齿部分的网格要进行细化，同时保证齿轮轮缘等其他部分单元的雅克比、长宽比、翘曲度等在一定的标准内。假设行星轮与太阳轮的轮缘内侧为刚性壳体，为防止行星轮轴向载荷分布不均，假设行星架为理想行星架，即行星架支撑行星轮两端不存在相对运动。

4.有限元分析结果。从行星齿轮机构整体应力云图可以看出，整个轮系最大应力值为493 MPa，出现在行星轮和太阳轮接触的位置，面积较小，且集中在太阳轮轮齿处。应力集中主要分布在太阳轮与行星轮轮齿啮合位置，尤其是沿着太阳轮转动方向上的轮齿接触一侧，主要表现为切应力，应力集中较为明显且应力变化非常剧烈。因此，太阳轮的轮齿极易在传动过程中发生疲劳破坏。

5.试验对比。轮边减速器装配到汽车轮毂上，通过工装将其安装至疲劳试验台上加载额定转速与转矩，对其进行疲劳试验，直至轮边减速器发生破坏为止。试验后将轮边减速器拆开，太阳轮轮齿在试验后完全断裂；行星轮轮齿部分发生疲劳点蚀，但无断裂现象；内齿圈轮齿完好。试验结果与有限元仿真结果较为一致。验证了有限元仿真的正确性。

总之，对轮边减速器的行星齿轮机构进行了仿真分析，仿真结果与试验结果基本一致。证明了本文所用仿真分析方法的正确性。有限元仿真分析方法能够真实、精确地模拟行星齿轮机构的工作状态，通过对行星齿轮机构进行仿真，可以快速直观地观察到计算结果，相对于试验方法在快速性和经济性上具有很大的优势。有限元方法在行星齿轮机构的设计与分析中可以起到一定的指导作用。行星齿轮机构在轮齿接触碰撞处由于载荷的突然加载，很容易造成应力集中，轮齿的破坏成为轮边减速器破坏的一个主要原因。在轮边减速器设计中，应主要对轮齿的结构、材料、工艺进行改良，以提高轮边减速器的寿命。

参考文献;

[1]李海英.关于轮边减速器行星齿轮机构仿真分析与试验研究.2019.

[2]王民策，行星齿轮传动的共振失效概率.2021.