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机电传动系统耦合行星排集成有限元分析(一)

2017/8/31    来源:互联网    作者:尹华兵  李慎龙  邢庆坤  刘树成      
关键字:耦合行星排  齿轮接触  结构强度  有限元分析  
本文主要对整个EMT机电传递系统方案中耦合排进行了有限元建模,主要建立了齿圈、行星轮、太阳轮、框架、轴承以及两个排之间耦合构件的有限元模型,建立了行星排齿轮中齿轮对行星轮-太阳轮、行星轮与齿圈的啮合接触模型,并按照实际装配关系进行了模型集成,实现了对转向工况的动态加载分析。完成了耦合行星排各个结构件的动态强度分析。通过分析获得了齿轮、框架以及行星轮滚针轴承等各个构件的动态应力分布。为整个行星排的强度设计、结构分析与动态载荷优化提供了重要的保障。

    0 引言

    齿轮是机械传动系统非常重要的元件,行星齿轮传动又是机械传动领域比较复杂的传动系统。不仅行星变速方案难以优选,而且行星齿轮制造工艺复杂,由于齿轮存在加工误差、箱体变形以及装备不对中等情况,导致行星齿轮在功率传递过程中存在较大的传动误差,引起轮齿啮合过程中的载荷冲击,导致齿轮啮合载荷的大幅波动,轻则产生振动与噪音,严重时引起齿轮强度不足、轮齿折断等失效问题。怎样设计出行星齿轮传动,解决传动过程中齿轮强度、传动误差及行星齿轮均载等问题是摆在工程师面前的一道难题,以往依赖那些经典的计算公式不足以解决当前所面临的问题。有限元理论及其软件给机械设计带来了机遇,目前机械零件采用有限元是非常普遍的。但是对于齿轮传动,有限元分析面临一个复杂的问题即接触分析问题。齿轮接触有限元分析是非线性问题,载荷步定义以及轮齿有限元接触面的选择都比较复杂,处理不好,容易导致难以收敛,计算量大,计算时间长,分析效率低。为了建立接触区域精确建模,非线性有限元方法是在接触区域建立大量的节点(精细的网格模型),进而在齿轮接触区域上建立精细的网格,而在接触区域之外只需要建立粗糙的网格就可以了。但是当齿轮转动一个小角度后,接触区域也跟着改变了,此时就需要对新的接触区域重新划分精细的网格,或者是对整个接触面划分精细的网格模型,这两种变化将导致大量的计算成本。本文中采用Ca-lyx接触算法的有限元软件建模,解决了齿轮接触算法中计算量大、计算时间长、接触计算不容易收敛的问题,该方法是:不在接触区域里的点,采用有限元方法计算变形和点的应力;而在接触区域里的点,采用半解析法计算变形和应力。接触区域之内的半解析解和接触区域之外的有限元解在连接面上是通过协调方程实现耦合的。

    1 机电传动系统及其组成

    某EMT稱合驱动传动箱(见图1)由六个行星排组成,结构上该方案是完全对称的,它是由2个减速单星排、1个离合器1个制动器1个单星排组成的2档变速机构,以及2个行星排组成的中央耦合机构所组成。其中间的两个行星排实现了功率耦合,即其左侧齿圈与右侧框架、右侧齿圈与左侧框架结构相连实现耦合,耦合排输入的是左右减速排,减速排输入为电动机,减速排外是左右对称的两个变速排,对于来自耦合排框架的输出进行降速或直接档输出,最终通过变速排框架将动力输出到车辆的主动轮上。该传动方案是将变速机构放置在耦合机构后面,优点是降低高转速电机设计风险,特别是高转速转子支撑轴承选择,耦合机构载荷小,其结构尺寸可以较小;缺点是变速机构在中心转向工况下载荷大。为了实现解决转向工况载荷过大的问题,避免因载荷过大而影响结构强度问题,对集成的耦合排有限元模型施加了转向工况的载荷力矩和转速,实现了对耦合行星排的动态强度分析。

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    图1 某EMT机电传动的传动简图

    1.1 耦合行星排系统结构

    本文动态强度分析的是两个耦合的行星排,两者的耦合主要是一个排的框架外端与另一齿圈的薄壁结构通过内花键进行连接的,由于内花键强度足够,就直接处理成在圆柱形外表面上实现耦合的节点集形式(图2),避免了不必要的齿形接触计算。每个行星排中有模型中4对太阳轮-行星轮与4对行星轮-齿圈齿轮接触对,整个两个模型中共有16个齿轮接触对。每个排中有4个行星轮滚针轴承,共有8个行星轮滚针轴承。太阳轮与框架各有一个滚珠轴承,两排共有4个滚珠轴承。两个排的行星架是通过其它有限元软件转化成BDF或DAT文件后集成到本模型中(图3)。行星齿轮、太阳轮、齿圈、轴承和连接轴均是通过参数化建立了有限元模型。

    2

    1.2 行星排有限元模型

    1.2.1 行星排有限元建模

    设计分析面临的最复杂问题是行星排有限元建模。耦合行星排有限元建模,首先需要确定耦合行星排中的旋转件数、齿轮啮合副数、连接件轴承数等,两个行星排又是完全对称的,在建模时要考虑两个排之间耦合件的连接形式。耦合行星排的结构参数计算书见表1。行星排有限元参数化建模需要的数据可以参照表1选取。

    表1 耦合排行星排结构参数

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    采用有限元对行星排的结构件进行分析是非常复杂的,如图3所示,从该图中可以看出,两个耦合行星排的结构建模都比较详细。其中模型包括行星排框架与行星轮轴有限元模型,行星排齿轮、连接轴、框架与行星轮轴均采用不锈钢材料,行星排齿轮建模也可以包含齿轮轮齿修形和齿根圆弧半径等详细结构参数。行星轮与行星轮轴装有滚针轴承,太阳轮与框架均有滚珠轴承支撑。滚珠轴承在计算时采用了刚度矩阵进行替代,这样可以减少轴承的接触计算量。

    1.2.2 太阳轮模型

    左右两个太阳轮是整个传动箱的电机输入端,建立的一排太阳轮参数化模型如下,左右排太阳轮均通过参数化实现有限元建模,两个连接轴也是实现参数化的,两端太阳轮轴上有固定支撑的滚珠轴承。太阳轮与行星轮有4个齿轮啮合副。有限元网格通过轴向、径向以及圆周方向的尺寸参数进行定义实现划分的。

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    图4 太阳轮有限元模型

责任编辑:张纯子
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