机电传动系统耦合行星排集成有限元分析

    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。