随着石油资源的日益枯竭与全球绿色发展理念的的倡导,发展新能源汽车已成为各个汽车强国的国家战略, 甚至欧美等国家宣布在未来几十年停止销售燃油车。在此背景下,纯电动汽车作为新能源汽车的主角,凭借其节能环保等优点获得飞速发展。某汽车配件厂家新研制了一款电动汽车减速器,要求对该款减速器进行仿真分析,验证其是否满足设计要求,为这款减速器正式投入使用做准备。
减速器作为电动汽车关键核心部件,与电机和控制器高度集成,对整车的动力传动起着关键作用。在齿轮传动的运作期间,因受到循环负载的影响,易导致齿轮出现疲劳破坏。因此,在齿轮的设计阶段,对齿轮接触压力与变形的研究具有重要意义,它们直接决定了齿轮的承压能力及其稳定性。然而,由于涉及到的因素众多且相互关联,使得确定齿轮接触强度的难度增加。传统的方法是基于弹塑性力学的原理构建,通过一系列转换和调整参数来获得最终结果。相比之下,有限元方法因为可以高效、精确且可信赖地处理各种齿轮的问题而被广泛使用。特别是在齿轮接触方面,它有效解决了齿轮传递时所遇到的接触设定难题以及施加给齿轮的约束条件,从而得出了正确的齿轮应力和应变数据,这有助于进一步优化设计方案或验证其正确性采用有限元法,可快速、直观地反映出计算结果,可省去繁琐的数学模型和试验过程。耗时等问题,是一种较先进的计算方法。在国内孙悦桐通过接触仿真分析研究了通用接触单元在轮齿变形和接触应力计算中的应用。建立了一对齿轮接触仿真分析的模型,并使用新的接触单元法计算了轮齿变形和接触应力。戴佳程利用 ANSYS软件的参数化设计语言 APDL建立双圆弧齿轮的三维有限元单齿对接触静态模型,并基于 ANSYS/LSDYNA 建立了柔性体多齿动态接触模型,并对齿轮进行了动态接触分析。陈加国利用 ANSYS的参数化设计语言(APDL) 建立双圆弧齿轮的三维实体,形成相应有限元模型,对轮齿弯曲应力进行了分析。
本文以两级减速器的齿轮传动机构为研究对象,应用 SolidWorks软件建立三维模型,然后导入 Workbench 建立多体动力学虚拟样机,运行仿真分析获取齿轮啮合时的变形、应力。
一、三维模型的建立
对于电动汽车的减速器箱体来说,其结构由两个主要的部分组成:即箱体和箱盖。首先,需要构建这两个部件的外观模型,从大到小依次处理。具体而言,可以使用拉伸和切除来创建这些部件的大致形状,通过拔模、抽壳等方式,可以进一步完善内部空间的设计。接下来,运用异形孔向导工具,可以生成相应的螺纹孔。完成上述工作后,得到如图 1 所示那样的减速器箱体的三维模型。
现有的电动汽车减速器为三合一电驱系统,一般减速箱是定传动比的二级齿轮减速机构,其内部结构简图如2 所示。本文选该厂家所研制的电动汽车减速器为参考实例其齿轮参数如表1所示。通过 SolidWorks软件中零件库 Toolbox中调用,再进行装配完成对齿轮的建模,所绘制的三维图如图3所示。
对减速器进行装配时采用从内到外的方式进行装配, 将箱体作为固定件,按照安装顺序将其余零件装配到箱体内,将所有零件约束后完成装配。以下为二级减速器三维图的装配流程:①新建空白的装配环境。②导入减速器箱体零件图使其作为装配基准。③将二级减速器的齿轮、齿轮轴、轴承等零部件依次导入装配图,对各零部件之间施加同轴、重合、接触等约束完成对零部件的固定装配。④ 导入减速箱箱盖,使用接触、重合约束将箱盖装配到箱体上,至此得到完整的二级减速器三维装配图。利用 Solid-Works软件中的渲染功能对三维装配图进行上色处理,以便于后续运动仿真模块的观察。完成对减速器的装配后还需要对内部结构进行干涉检查,而齿轮和齿轮轴上是最容易发生干涉的,可以利用 SolidWorks软件对装配体进行干涉检查。若是上述两处发生干涉多数是因为齿轮啮合角度问题,要更改齿轮零件图的装配位置。完成干涉检查并修改后即可进行二级减速器的运动仿真,二级减速器的实际工况为输入端将动力传输到第一输入轴带动齿轮转动,第一轴齿轮与中间轴齿轮啮合,第一轴齿轮带动中间轴转动,中间齿轮轴通齿轮与第三轴齿轮啮合,带动第三轴齿轮,第三轴为输出轴,通过轴转动完成动力输出;使用SolidWorks软件中的插件对二级减速器进行运动仿真,在输入端添加动力,给定方向和速度,在输出端添加载荷,然后运行。以此为基础,进一步明确了二级减速器的结构,为进一步进行工艺参数的优化提供了依据。
二、ANSYS齿轮加载接触动态特性分析
利用有限元分析法来研究齿轮运动的负载接触过程, 具体步骤如下:1)构建齿轮运动的三维模型;2)将该建模导入到有限元软件系统中;3)调整材质属性;4)划定有限元网格;5)实施负荷和约束;6)求解;7)结果评估。在本文中,选用 Workbench2021进行有限元计算分析。将 Solid-Works软件创建的三维模型solid装配文档转换为.x_t 格式,这种格式可以一次性把装配体导入 Workbench软件。在不改变模型组装的前提下,所有部分都被视为单独的零件进行处理。
将齿轮三维模型导入有限元模型以后,一般要首先进行有限元软件的几何编辑模块对原始三维模型进行有益于有限元划分网格和加载计算的处理。将齿轮的材料定义为35CrMo,这是合金结构钢(也叫做调质钢)的代码。该种材料一般被用来制造能够经受撞击、弯曲和高负荷的各类机械设备中的关键部件。其具有极高的静态强度、抗冲击韧性以及较大的疲劳极限。对于减速器斜齿轮来说, 设置为3对接触对。齿与齿之间的接触,传递了压力,但又相互运动,且齿面之间具有摩擦力。因为齿轮系添加链接约束使齿轮之间接触为摩擦,摩擦系数按照钢材之间摩擦设定为0.15。对齿轮轴以及斜齿轮添加与地面连接的旋转连接副,以确保动态分析过程中齿轮的转动。
有限元法采用的四面体单元进行网格划分和计算, 对齿轮传动系的网格划分采用的网格大小为5mm,如图4 所示。在完成了整个网格划分之后,将各啮合面的网格按层次细化, 如图 5 所示。网格划分完后网格数量为 121131个,节点数量为216074个。
完成网格划分后对齿轮系添加运动工况在,一级主动齿轮上添加旋转连接副设置为每秒转动360o,一级从动齿轮上添加与一级主动齿轮旋转方向相反的力矩,大小设置为50N·m。二级主动齿轮添加旋转连接副设置为秒转动225o,方向与一级从动齿轮力矩方向相同,二级从动齿轮上添加与二级主动齿轮旋转方向相反的力矩,大小设置为20N·m,如图6所示。
三、减速器齿轮系有限元分析计算结果
按照上述部分的节点方法设置完成后,便可以进行计算。前处理完成后,对模型进行求解。有限元分析的最后一步是查看计算结果。根应力分布特性是衡量齿轮传动性能的重要指标。根据有限元分析结果可以看出齿轮轮齿的应力和变形主要分布啮合齿对上。这里主要查看齿轮的变形、接触应力。齿轮的变形量直观地表现了齿轮受力后的行为。变形量的过大说明齿轮承载过大,或齿轮刚度过小。但是变形量并不决定齿轮是否破坏。变形量是应力的之和,有些位置变形量可以很大,但应变量可以是 0,应力也是0,此处材料就不会破坏。如图7所示, 在便是设定工况下齿轮的变形量云图。从云图中可以看出齿轮轴轴上的变形量最小,斜齿轮轮齿的上变形量最大,这与所施加工约束和载荷是相一致的,二级减速器齿轮系上最大变形量为0.11mm。
单个齿面承受的载荷越大,由此产生的应力越大,但是由于接触应力受齿面接触位置曲率半径的影响,各个齿面应力的大小不一定和所承受的载荷相一致。图8是由有限元软件计算得到的斜齿轮接触应力云图。图中反应了接触区的位置、最大接触应力位置和接触应力的分布。
从图中可以看出接触区沿着齿面齿向方向,呈现出一个区域。从区域中部向外,其接触应力值逐渐减小。最大应力值出现在该区域的中部。其呈现规律是和实际情况是相符合的。
四、结论
本文介绍了齿轮的加载接触分析,所采用的研究方法为有限单元法。通过计算接触应力、二级减速器斜齿轮的应力分布情况。另外,有限元方法中,网格的化分对最大应力值的影响也较大。本文通过运用有限单元法对设计完成的齿轮进行接触强度的校核。如果强度校核不通过或结果过于安全,则重新进行设计调整,直到设计达到一个较优的状态。完成了对汽车减速器的三维实体模型设计,对齿轮系三维模型进行网格划分,利用 Workbench平台对汽车减速器齿轮系进行有限元计算。结果表明齿轮系最大变形量为0.11mm,齿的最大应力可达到191.64MPa,远远小于许用应力,该款减速器满足实际使用要求。
参考文献略.