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(gè)汽車強(qiáng)國(guó)的國(guó)家戰(zhàn)略, 甚至歐美等國(guó)家宣布在未來(lái)幾十年停止銷售燃油車。在此背景下,純電動(dòng)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(dòng)汽車減速器,要求對(duì)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(dòng)汽車關(guān)鍵核心部件,與電機(jī)和控制器高度集成,對(duì)整車的動(dòng)力傳動(dòng)起著關(guān)鍵作用。在齒輪傳動(dòng)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(duì)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(guò)一系列轉(zhuǎn)換和調(diào)整參數(shù)來(lái)獲得最終結(jié)果。相比之下,有限元方法因?yàn)榭梢愿咝?、精確且可信賴地處理各種齒輪的問(wèn)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(shí)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(guò)程。耗時(shí)等問(wèn)題,是一種較先進(jìn)的計(jì)算方法。在國(guó)內(nèi)孫悅桐通過(guò)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(duì)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(yǔ)言 APDL建立雙圓弧齒輪的三維有限元單齒對(duì)接觸靜態(tài)模型,并基于 ANSYS/LSDYNA 建立了柔性體多齒動(dòng)態(tài)接觸模型,并對(duì)齒輪進(jìn)行了動(dòng)態(tài)接觸分析。陳加國(guó)利用 ANSYS的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)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(duì)輪齒彎曲應(yīng)力進(jìn)行了分析。
本文以兩級(jí)減速器的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象,應(yīng)用 SolidWorks軟件建立三維模型,然后導(dǎo)入 Workbench 建立多體動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī),運(yùn)行仿真分析獲取齒輪嚙合時(shí)的變形、應(yīng)力。
一、三維模型的建立
對(duì)于電動(dòng)汽車的減速器箱體來(lái)說(shuō),其結(jié)構(gòu)由兩個(gè)主要的部分組成:即箱體和箱蓋。首先,需要構(gòu)建這兩個(gè)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(lái)創(chuàng)建這些部件的大致形狀,通過(guò)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(lái),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(dòng)汽車減速器為三合一電驅(qū)系統(tǒng),一般減速箱是定傳動(dòng)比的二級(jí)齒輪減速機(jī)構(gòu),其內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如2 所示。本文選該廠家所研制的電動(dòng)汽車減速器為參考實(shí)例其齒輪參數(shù)如表1所示。通過(guò) SolidWorks軟件中零件庫(kù) Toolbox中調(diào)用,再進(jìn)行裝配完成對(duì)齒輪的建模,所繪制的三維圖如圖3所示。
對(duì)減速器進(jìn)行裝配時(shí)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(jí)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(jí)減速器的齒輪、齒輪軸、軸承等零部件依次導(dǎo)入裝配圖,對(duì)各零部件之間施加同軸、重合、接觸等約束完成對(duì)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(jí)減速器三維裝配圖。利用 Solid-Works軟件中的渲染功能對(duì)三維裝配圖進(jìn)行上色處理,以便于后續(xù)運(yùn)動(dòng)仿真模塊的觀察。完成對(duì)減速器的裝配后還需要對(duì)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(duì)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(wèn)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(jí)減速器的運(yùn)動(dòng)仿真,二級(jí)減速器的實(shí)際工況為輸入端將動(dòng)力傳輸?shù)降谝惠斎胼S帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),第一軸齒輪與中間軸齒輪嚙合,第一軸齒輪帶動(dòng)中間軸轉(zhuǎn)動(dòng),中間齒輪軸通齒輪與第三軸齒輪嚙合,帶動(dòng)第三軸齒輪,第三軸為輸出軸,通過(guò)軸轉(zhuǎn)動(dòng)完成動(dòng)力輸出;使用SolidWorks軟件中的插件對(duì)二級(jí)減速器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,在輸入端添加動(dòng)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(jí)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(dòng)態(tài)特性分析
利用有限元分析法來(lái)研究齒輪運(yùn)動(dòng)的負(fù)載接觸過(guò)程, 具體步驟如下:1)構(gòu)建齒輪運(yùn)動(dòng)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(píng)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(duì)原始三維模型進(jìn)行有益于有限元?jiǎng)澐志W(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(lái)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(duì)于減速器斜齒輪來(lái)說(shuō), 設(shè)置為3對(duì)接觸對(duì)。齒與齒之間的接觸,傳遞了壓力,但又相互運(yùn)動(dòng),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(duì)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(dòng)態(tài)分析過(guò)程中齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。
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(duì)齒輪傳動(dòng)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(gè)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(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)量為216074個(gè)。
完成網(wǎng)格劃分后對(duì)齒輪系添加運(yùn)動(dòng)工況在,一級(jí)主動(dòng)齒輪上添加旋轉(zhuǎn)連接副設(shè)置為每秒轉(zhuǎn)動(dòng)360o,一級(jí)從動(dòng)齒輪上添加與一級(jí)主動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)方向相反的力矩,大小設(shè)置為50N·m。二級(jí)主動(dòng)齒輪添加旋轉(zhuǎn)連接副設(shè)置為秒轉(zhuǎn)動(dòng)225o,方向與一級(jí)從動(dòng)齒輪力矩方向相同,二級(jí)從動(dòng)齒輪上添加與二級(jí)主動(dòng)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(duì)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(dòng)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(duì)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(guò)大說(shuō)明齒輪承載過(guò)大,或齒輪剛度過(guò)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(huì)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(jí)減速器齒輪系上最大變形量為0.11mm。
單個(gè)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(gè)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(gè)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(guò)計(jì)算接觸應(yīng)力、二級(jí)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(duì)最大應(yīng)力值的影響也較大。本文通過(guò)運(yùn)用有限單元法對(duì)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(guò)或結(jié)果過(guò)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(gè)較優(yōu)的狀態(tài)。完成了對(duì)汽車減速器的三維實(shí)體模型設(shè)計(jì),對(duì)齒輪系三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,利用 Workbench平臺(tái)對(duì)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.