隨著石油資源的日益枯竭與全球綠色發展理念的的倡導,發展新能源汽車已成為各個汽車強國的國家戰略, 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,憑借其節能環保等優點獲得飛速發展。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行仿真分析,驗證其是否滿足設計要求,為這款減速器正式投入使用做準備。
減速器作為電動汽車關鍵核心部件,與電機和控制器高度集成,對整車的動力傳動起著關鍵作用。在齒輪傳動的運作期間,因受到循環負載的影響,易導致齒輪出現疲勞破壞。因此,在齒輪的設計階段,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定性。然而,由于涉及到的因素眾多且相互關聯,使得確定齒輪接觸強度的難度增加。傳統的方法是基于彈塑性力學的原理構建,通過一系列轉換和調整參數來獲得最終結果。相比之下,有限元方法因為可以高效、精確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力和應變數據,這有助于進一步優化設計方案或驗證其正確性采用有限元法,可快速、直觀地反映出計算結果,可省去繁瑣的數學模型和試驗過程。耗時等問題,是一種較先進的計算方法。在國內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。戴佳程利用 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。陳加國利用 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。
本文以兩級減速器的齒輪傳動機構為研究對象,應用 SolidWorks軟件建立三維模型,然后導入 Workbench 建立多體動力學虛擬樣機,運行仿真分析獲取齒輪嚙合時的變形、應力。
一、三維模型的建立
對于電動汽車的減速器箱體來說,其結構由兩個主要的部分組成:即箱體和箱蓋。首先,需要構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建這些部件的大致形狀,通過拔模、抽殼等方式,可以進一步完善內部空間的設計。接下來,運用異形孔向導工具,可以生成相應的螺紋孔。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。
現有的電動汽車減速器為三合一電驅系統,一般減速箱是定傳動比的二級齒輪減速機構,其內部結構簡圖如2 所示。本文選該廠家所研制的電動汽車減速器為參考實例其齒輪參數如表1所示。通過 SolidWorks軟件中零件庫 Toolbox中調用,再進行裝配完成對齒輪的建模,所繪制的三維圖如圖3所示。
對減速器進行裝配時采用從內到外的方式進行裝配, 將箱體作為固定件,按照安裝順序將其余零件裝配到箱體內,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新建空白的裝配環境。②導入減速器箱體零件圖使其作為裝配基準。③將二級減速器的齒輪、齒輪軸、軸承等零部件依次導入裝配圖,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行上色處理,以便于后續運動仿真模塊的觀察。完成對減速器的裝配后還需要對內部結構進行干涉檢查,而齒輪和齒輪軸上是最容易發生干涉的,可以利用 SolidWorks軟件對裝配體進行干涉檢查。若是上述兩處發生干涉多數是因為齒輪嚙合角度問題,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行二級減速器的運動仿真,二級減速器的實際工況為輸入端將動力傳輸到第一輸入軸帶動齒輪轉動,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,通過軸轉動完成動力輸出;使用SolidWorks軟件中的插件對二級減速器進行運動仿真,在輸入端添加動力,給定方向和速度,在輸出端添加載荷,然后運行。以此為基礎,進一步明確了二級減速器的結構,為進一步進行工藝參數的優化提供了依據。
二、ANSYS齒輪加載接觸動態特性分析
利用有限元分析法來研究齒輪運動的負載接觸過程, 具體步驟如下:1)構建齒輪運動的三維模型;2)將該建模導入到有限元軟件系統中;3)調整材質屬性;4)劃定有限元網格;5)實施負荷和約束;6)求解;7)結果評估。在本文中,選用 Workbench2021進行有限元計算分析。將 Solid-Works軟件創建的三維模型solid裝配文檔轉換為.x_t 格式,這種格式可以一次性把裝配體導入 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的零件進行處理。
將齒輪三維模型導入有限元模型以后,一般要首先進行有限元軟件的幾何編輯模塊對原始三維模型進行有益于有限元劃分網格和加載計算的處理。將齒輪的材料定義為35CrMo,這是合金結構鋼(也叫做調質鋼)的代碼。該種材料一般被用來制造能夠經受撞擊、彎曲和高負荷的各類機械設備中的關鍵部件。其具有極高的靜態強度、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,但又相互運動,且齒面之間具有摩擦力。因為齒輪系添加鏈接約束使齒輪之間接觸為摩擦,摩擦系數按照鋼材之間摩擦設定為0.15。對齒輪軸以及斜齒輪添加與地面連接的旋轉連接副,以確保動態分析過程中齒輪的轉動。
有限元法采用的四面體單元進行網格劃分和計算, 對齒輪傳動系的網格劃分采用的網格大小為5mm,如圖4 所示。在完成了整個網格劃分之后,將各嚙合面的網格按層次細化, 如圖 5 所示。網格劃分完后網格數量為 121131個,節點數量為216074個。
完成網格劃分后對齒輪系添加運動工況在,一級主動齒輪上添加旋轉連接副設置為每秒轉動360o,一級從動齒輪上添加與一級主動齒輪旋轉方向相反的力矩,大小設置為50N·m。二級主動齒輪添加旋轉連接副設置為秒轉動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方向相反的力矩,大小設置為20N·m,如圖6所示。
三、減速器齒輪系有限元分析計算結果
按照上述部分的節點方法設置完成后,便可以進行計算。前處理完成后,對模型進行求解。有限元分析的最后一步是查看計算結果。根應力分布特性是衡量齒輪傳動性能的重要指標。根據有限元分析結果可以看出齒輪輪齒的應力和變形主要分布嚙合齒對上。這里主要查看齒輪的變形、接觸應力。齒輪的變形量直觀地表現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。變形量是應力的之和,有些位置變形量可以很大,但應變量可以是 0,應力也是0,此處材料就不會破壞。如圖7所示, 在便是設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,由此產生的應力越大,但是由于接觸應力受齒面接觸位置曲率半徑的影響,各個齒面應力的大小不一定和所承受的載荷相一致。圖8是由有限元軟件計算得到的斜齒輪接觸應力云圖。圖中反應了接觸區的位置、最大接觸應力位置和接觸應力的分布。
從圖中可以看出接觸區沿著齒面齒向方向,呈現出一個區域。從區域中部向外,其接觸應力值逐漸減小。最大應力值出現在該區域的中部。其呈現規律是和實際情況是相符合的。
四、結論
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。通過計算接觸應力、二級減速器斜齒輪的應力分布情況。另外,有限元方法中,網格的化分對最大應力值的影響也較大。本文通過運用有限單元法對設計完成的齒輪進行接觸強度的校核。如果強度校核不通過或結果過于安全,則重新進行設計調整,直到設計達到一個較優的狀態。完成了對汽車減速器的三維實體模型設計,對齒輪系三維模型進行網格劃分,利用 Workbench平臺對汽車減速器齒輪系進行有限元計算。結果表明齒輪系最大變形量為0.11mm,齒的最大應力可達到191.64MPa,遠遠小于許用應力,該款減速器滿足實際使用要求。
參考文獻略.