隨著石油資源的日益枯竭與全球綠色發(fā)展理念的的倡導(dǎo),發(fā)展新能源汽車已成為各個汽車強(qiáng)國的國家戰(zhàn)略, 甚至歐美等國家宣布在未來幾十年停止銷售燃油車。在此背景下,純電動汽車作為新能源汽車的主角,憑借其節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)獲得飛速發(fā)展。某汽車配件廠家新研制了一款電動汽車減速器,要求對該款減速器進(jìn)行仿真分析,驗(yàn)證其是否滿足設(shè)計(jì)要求,為這款減速器正式投入使用做準(zhǔn)備。

　　減速器作為電動汽車關(guān)鍵核心部件,與電機(jī)和控制器高度集成,對整車的動力傳動起著關(guān)鍵作用。在齒輪傳動的運(yùn)作期間,因受到循環(huán)負(fù)載的影響,易導(dǎo)致齒輪出現(xiàn)疲勞破壞。因此,在齒輪的設(shè)計(jì)階段,對齒輪接觸壓力與變形的研究具有重要意義,它們直接決定了齒輪的承壓能力及其穩(wěn)定性。然而,由于涉及到的因素眾多且相互關(guān)聯(lián),使得確定齒輪接觸強(qiáng)度的難度增加。傳統(tǒng)的方法是基于彈塑性力學(xué)的原理構(gòu)建,通過一系列轉(zhuǎn)換和調(diào)整參數(shù)來獲得最終結(jié)果。相比之下,有限元方法因?yàn)榭梢愿咝А⒕_且可信賴地處理各種齒輪的問題而被廣泛使用。特別是在齒輪接觸方面,它有效解決了齒輪傳遞時所遇到的接觸設(shè)定難題以及施加給齒輪的約束條件,從而得出了正確的齒輪應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù),這有助于進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案或驗(yàn)證其正確性采用有限元法,可快速、直觀地反映出計(jì)算結(jié)果,可省去繁瑣的數(shù)學(xué)模型和試驗(yàn)過程。耗時等問題,是一種較先進(jìn)的計(jì)算方法。在國內(nèi)孫悅桐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(yīng)力計(jì)算中的應(yīng)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(jì)算了輪齒變形和接觸應(yīng)力。戴佳程利用 ANSYS軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)語言 APDL建立雙圓弧齒輪的三維有限元單齒對接觸靜態(tài)模型,并基于 ANSYS/LSDYNA 建立了柔性體多齒動態(tài)接觸模型,并對齒輪進(jìn)行了動態(tài)接觸分析。陳加國利用 ANSYS的參數(shù)化設(shè)計(jì)語言(APDL) 建立雙圓弧齒輪的三維實(shí)體,形成相應(yīng)有限元模型,對輪齒彎曲應(yīng)力進(jìn)行了分析。

　　本文以兩級減速器的齒輪傳動機(jī)構(gòu)為研究對象,應(yīng)用 SolidWorks軟件建立三維模型,然后導(dǎo)入 Workbench 建立多體動力學(xué)虛擬樣機(jī),運(yùn)行仿真分析獲取齒輪嚙合時的變形、應(yīng)力。

　　一、三維模型的建立

　　對于電動汽車的減速器箱體來說,其結(jié)構(gòu)由兩個主要的部分組成:即箱體和箱蓋。首先,需要構(gòu)建這兩個部件的外觀模型,從大到小依次處理。具體而言,可以使用拉伸和切除來創(chuàng)建這些部件的大致形狀,通過拔模、抽殼等方式,可以進(jìn)一步完善內(nèi)部空間的設(shè)計(jì)。接下來,運(yùn)用異形孔向?qū)Чぞ?可以生成相應(yīng)的螺紋孔。完成上述工作后,得到如圖 1 所示那樣的減速器箱體的三維模型。

　　現(xiàn)有的電動汽車減速器為三合一電驅(qū)系統(tǒng),一般減速箱是定傳動比的二級齒輪減速機(jī)構(gòu),其內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖如2 所示。本文選該廠家所研制的電動汽車減速器為參考實(shí)例其齒輪參數(shù)如表1所示。通過 SolidWorks軟件中零件庫 Toolbox中調(diào)用,再進(jìn)行裝配完成對齒輪的建模,所繪制的三維圖如圖3所示。

　　對減速器進(jìn)行裝配時采用從內(nèi)到外的方式進(jìn)行裝配, 將箱體作為固定件,按照安裝順序?qū)⑵溆嗔慵b配到箱體內(nèi),將所有零件約束后完成裝配。以下為二級減速器三維圖的裝配流程:①新建空白的裝配環(huán)境。②導(dǎo)入減速器箱體零件圖使其作為裝配基準(zhǔn)。③將二級減速器的齒輪、齒輪軸、軸承等零部件依次導(dǎo)入裝配圖,對各零部件之間施加同軸、重合、接觸等約束完成對零部件的固定裝配。④ 導(dǎo)入減速箱箱蓋,使用接觸、重合約束將箱蓋裝配到箱體上,至此得到完整的二級減速器三維裝配圖。利用 Solid-Works軟件中的渲染功能對三維裝配圖進(jìn)行上色處理,以便于后續(xù)運(yùn)動仿真模塊的觀察。完成對減速器的裝配后還需要對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行干涉檢查,而齒輪和齒輪軸上是最容易發(fā)生干涉的,可以利用 SolidWorks軟件對裝配體進(jìn)行干涉檢查。若是上述兩處發(fā)生干涉多數(shù)是因?yàn)辇X輪嚙合角度問題,要更改齒輪零件圖的裝配位置。完成干涉檢查并修改后即可進(jìn)行二級減速器的運(yùn)動仿真,二級減速器的實(shí)際工況為輸入端將動力傳輸?shù)降谝惠斎胼S帶動齒輪轉(zhuǎn)動,第一軸齒輪與中間軸齒輪嚙合,第一軸齒輪帶動中間軸轉(zhuǎn)動,中間齒輪軸通齒輪與第三軸齒輪嚙合,帶動第三軸齒輪,第三軸為輸出軸,通過軸轉(zhuǎn)動完成動力輸出;使用SolidWorks軟件中的插件對二級減速器進(jìn)行運(yùn)動仿真,在輸入端添加動力,給定方向和速度,在輸出端添加載荷,然后運(yùn)行。以此為基礎(chǔ),進(jìn)一步明確了二級減速器的結(jié)構(gòu),為進(jìn)一步進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了依據(jù)。

　　二、ANSYS齒輪加載接觸動態(tài)特性分析

　　利用有限元分析法來研究齒輪運(yùn)動的負(fù)載接觸過程, 具體步驟如下:1)構(gòu)建齒輪運(yùn)動的三維模型;2)將該建模導(dǎo)入到有限元軟件系統(tǒng)中;3)調(diào)整材質(zhì)屬性;4)劃定有限元網(wǎng)格;5)實(shí)施負(fù)荷和約束;6)求解;7)結(jié)果評估。在本文中,選用 Workbench2021進(jìn)行有限元計(jì)算分析。將 Solid-Works軟件創(chuàng)建的三維模型solid裝配文檔轉(zhuǎn)換為.x_t 格式,這種格式可以一次性把裝配體導(dǎo)入 Workbench軟件。在不改變模型組裝的前提下,所有部分都被視為單獨(dú)的零件進(jìn)行處理。

　　將齒輪三維模型導(dǎo)入有限元模型以后,一般要首先進(jìn)行有限元軟件的幾何編輯模塊對原始三維模型進(jìn)行有益于有限元劃分網(wǎng)格和加載計(jì)算的處理。將齒輪的材料定義為35CrMo,這是合金結(jié)構(gòu)鋼(也叫做調(diào)質(zhì)鋼)的代碼。該種材料一般被用來制造能夠經(jīng)受撞擊、彎曲和高負(fù)荷的各類機(jī)械設(shè)備中的關(guān)鍵部件。其具有極高的靜態(tài)強(qiáng)度、抗沖擊韌性以及較大的疲勞極限。對于減速器斜齒輪來說, 設(shè)置為3對接觸對。齒與齒之間的接觸,傳遞了壓力,但又相互運(yùn)動,且齒面之間具有摩擦力。因?yàn)辇X輪系添加鏈接約束使齒輪之間接觸為摩擦,摩擦系數(shù)按照鋼材之間摩擦設(shè)定為0.15。對齒輪軸以及斜齒輪添加與地面連接的旋轉(zhuǎn)連接副,以確保動態(tài)分析過程中齒輪的轉(zhuǎn)動。

　　有限元法采用的四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分和計(jì)算, 對齒輪傳動系的網(wǎng)格劃分采用的網(wǎng)格大小為5mm,如圖4 所示。在完成了整個網(wǎng)格劃分之后,將各嚙合面的網(wǎng)格按層次細(xì)化, 如圖 5 所示。網(wǎng)格劃分完后網(wǎng)格數(shù)量為 121131個,節(jié)點(diǎn)數(shù)量為216074個。

　　完成網(wǎng)格劃分后對齒輪系添加運(yùn)動工況在,一級主動齒輪上添加旋轉(zhuǎn)連接副設(shè)置為每秒轉(zhuǎn)動360o,一級從動齒輪上添加與一級主動齒輪旋轉(zhuǎn)方向相反的力矩,大小設(shè)置為50N·m。二級主動齒輪添加旋轉(zhuǎn)連接副設(shè)置為秒轉(zhuǎn)動225o,方向與一級從動齒輪力矩方向相同,二級從動齒輪上添加與二級主動齒輪旋轉(zhuǎn)方向相反的力矩,大小設(shè)置為20N·m,如圖6所示。

　　三、減速器齒輪系有限元分析計(jì)算結(jié)果

　　按照上述部分的節(jié)點(diǎn)方法設(shè)置完成后,便可以進(jìn)行計(jì)算。前處理完成后,對模型進(jìn)行求解。有限元分析的最后一步是查看計(jì)算結(jié)果。根應(yīng)力分布特性是衡量齒輪傳動性能的重要指標(biāo)。根據(jù)有限元分析結(jié)果可以看出齒輪輪齒的應(yīng)力和變形主要分布嚙合齒對上。這里主要查看齒輪的變形、接觸應(yīng)力。齒輪的變形量直觀地表現(xiàn)了齒輪受力后的行為。變形量的過大說明齒輪承載過大,或齒輪剛度過小。但是變形量并不決定齒輪是否破壞。變形量是應(yīng)力的之和,有些位置變形量可以很大,但應(yīng)變量可以是 0,應(yīng)力也是0,此處材料就不會破壞。如圖7所示, 在便是設(shè)定工況下齒輪的變形量云圖。從云圖中可以看出齒輪軸軸上的變形量最小,斜齒輪輪齒的上變形量最大,這與所施加工約束和載荷是相一致的,二級減速器齒輪系上最大變形量為0.11mm。

　　單個齒面承受的載荷越大,由此產(chǎn)生的應(yīng)力越大,但是由于接觸應(yīng)力受齒面接觸位置曲率半徑的影響,各個齒面應(yīng)力的大小不一定和所承受的載荷相一致。圖8是由有限元軟件計(jì)算得到的斜齒輪接觸應(yīng)力云圖。圖中反應(yīng)了接觸區(qū)的位置、最大接觸應(yīng)力位置和接觸應(yīng)力的分布。

　　從圖中可以看出接觸區(qū)沿著齒面齒向方向,呈現(xiàn)出一個區(qū)域。從區(qū)域中部向外,其接觸應(yīng)力值逐漸減小。最大應(yīng)力值出現(xiàn)在該區(qū)域的中部。其呈現(xiàn)規(guī)律是和實(shí)際情況是相符合的。

　　四、結(jié)論

　　本文介紹了齒輪的加載接觸分析,所采用的研究方法為有限單元法。通過計(jì)算接觸應(yīng)力、二級減速器斜齒輪的應(yīng)力分布情況。另外,有限元方法中,網(wǎng)格的化分對最大應(yīng)力值的影響也較大。本文通過運(yùn)用有限單元法對設(shè)計(jì)完成的齒輪進(jìn)行接觸強(qiáng)度的校核。如果強(qiáng)度校核不通過或結(jié)果過于安全,則重新進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整,直到設(shè)計(jì)達(dá)到一個較優(yōu)的狀態(tài)。完成了對汽車減速器的三維實(shí)體模型設(shè)計(jì),對齒輪系三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,利用 Workbench平臺對汽車減速器齒輪系進(jìn)行有限元計(jì)算。結(jié)果表明齒輪系最大變形量為0.11mm,齒的最大應(yīng)力可達(dá)到191.64MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力,該款減速器滿足實(shí)際使用要求。

　　參考文獻(xiàn)略.