在當(dāng)今的機(jī)械工程領(lǐng)域，行星齒輪減速機(jī)作為重要的傳動(dòng)裝置，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)工程車(chē)輛、工業(yè)設(shè)備以及新能源汽車(chē)中。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，行星齒輪減速機(jī)的性能優(yōu)化成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)某電傳動(dòng)自卸車(chē)輪邊行星齒輪減速機(jī)的接觸特性進(jìn)行分析與優(yōu)化，探討了行星齒輪減速機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)改進(jìn)策略，旨在提升其安全性和可靠性，為行業(yè)的技術(shù)發(fā)展提供參考。

  一、行星齒輪減速機(jī)的結(jié)構(gòu)與基本參數(shù)分析

  《2025-2030年中國(guó)行星齒輪減速機(jī)行業(yè)市場(chǎng)分析及發(fā)展前景預(yù)測(cè)報(bào)告》行星齒輪減速機(jī)是一種高效的傳動(dòng)裝置，其主要作用是通過(guò)減速增扭來(lái)提高車(chē)輛或設(shè)備的驅(qū)動(dòng)力。以某電傳動(dòng)自卸車(chē)輪邊行星齒輪減速機(jī)為例，該設(shè)備采用二級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比大、傳動(dòng)效率高以及運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。該行星齒輪減速機(jī)由兩個(gè)行星輪系串聯(lián)而成，具體參數(shù)如下：齒輪1、2、5分別為一級(jí)齒輪系的太陽(yáng)輪、行星輪和內(nèi)齒圈，齒輪3、4、6分別為二級(jí)齒輪系的太陽(yáng)輪、行星輪和內(nèi)齒圈。其中，一級(jí)行星輪共3個(gè)，二級(jí)行星輪共4個(gè);齒輪1與電機(jī)相連，作為動(dòng)力輸入端，內(nèi)齒圈5、6固接在輪轂上，作為輸出端。齒輪參數(shù)如表1所示，電機(jī)輸入扭矩為12008N·m，額定轉(zhuǎn)速為227r/min，齒輪精度為6級(jí)，材料選用18CrNiMo7-6。

  二、行星齒輪減速機(jī)的有限元分析模型構(gòu)建

  行星齒輪減速機(jī)行業(yè)特性分析提到為了準(zhǔn)確分析行星齒輪減速機(jī)的接觸特性，需要構(gòu)建合理的有限元分析模型。首先，對(duì)行星齒輪減速機(jī)的幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，考慮到計(jì)算資源及成本的限制，僅截取每對(duì)齒輪副嚙合區(qū)域附近的幾個(gè)輪齒進(jìn)行計(jì)算。由于齒輪嚙合模型及載荷關(guān)于平面對(duì)稱，因此截取模型的一半并去除齒輪邊緣倒角。將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench幾何模塊中，并設(shè)置材料參數(shù)，彈性模量為206000MPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。

  在網(wǎng)格劃分方面，選擇二階四面體網(wǎng)格單元離散幾何模型，并對(duì)齒輪接觸面等關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。模型整體采用8mm網(wǎng)格，齒輪接觸面使用0.3mm網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理。在約束條件及載荷設(shè)置上，根據(jù)行星齒輪減速機(jī)的實(shí)際工況，將從動(dòng)輪軸孔表面進(jìn)行固定約束，主動(dòng)輪約束除軸向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度外其他全部自由度。作用在主動(dòng)輪上的載荷類(lèi)型為轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得到各級(jí)齒輪副傳遞的轉(zhuǎn)矩，分別為一級(jí)太陽(yáng)輪—行星輪5036N·m、一級(jí)行星輪—內(nèi)齒圈9538N·m、二級(jí)太陽(yáng)輪—行星輪20696N·m、二級(jí)行星輪—內(nèi)齒圈34318N·m。由于幾何模型及載荷均關(guān)于平面對(duì)稱，因此各級(jí)齒輪副模型載荷均為實(shí)際載荷的一半。

  三、行星齒輪減速機(jī)靜力學(xué)結(jié)果分析

  行星齒輪減速機(jī)的齒輪接觸問(wèn)題屬于復(fù)雜的非線性問(wèn)題，傳統(tǒng)的齒輪接觸應(yīng)力理論計(jì)算公式基于赫茲接觸理論，但該理論存在較多假設(shè)，難以準(zhǔn)確模擬齒輪嚙合工況。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元法的應(yīng)用使得復(fù)雜的非線性接觸問(wèn)題得以有效處理。通過(guò)有限元分析得到的行星齒輪減速機(jī)各級(jí)齒輪副接觸應(yīng)力云圖顯示，齒輪副接觸應(yīng)力最大區(qū)域位于輪齒嚙合處，且接觸應(yīng)力整體集中在輪齒嚙合區(qū)域，靠近齒輪端面的幾何突變區(qū)域也存在應(yīng)力集中。在輪齒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，不斷變化的循環(huán)載荷容易導(dǎo)致輪齒接觸面這些應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕，因此在設(shè)計(jì)行星齒輪減速機(jī)時(shí)需要考慮結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施以避免輪齒接觸應(yīng)力過(guò)于集中。

  進(jìn)一步分析行星齒輪減速機(jī)各級(jí)齒輪副的接觸強(qiáng)度安全系數(shù)，可發(fā)現(xiàn)二級(jí)太陽(yáng)輪—行星輪的安全系數(shù)最低，更容易發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕。具體數(shù)據(jù)如表3所示，許用接觸應(yīng)力與齒輪的接觸疲勞極限、壽命系數(shù)、工作硬化系數(shù)以及最小安全系數(shù)等因素有關(guān)。通過(guò)計(jì)算可得到各齒輪副的許用接觸應(yīng)力，進(jìn)而確定安全系數(shù)。在不考慮齒輪嚙合過(guò)程中的各種校核參數(shù)的情況下，二級(jí)太陽(yáng)輪—行星輪的安全系數(shù)僅為1.3，遠(yuǎn)低于其他齒輪副，因此需要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

  四、行星齒輪減速機(jī)齒輪副結(jié)構(gòu)優(yōu)化

  針對(duì)行星齒輪減速機(jī)二級(jí)太陽(yáng)輪—行星輪的安全系數(shù)較低的問(wèn)題，需要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。行星齒輪減速機(jī)的齒輪副接觸強(qiáng)度主要與齒輪分度圓、齒面有效接觸寬度、齒輪傳動(dòng)比以及各種齒輪校核系數(shù)等因素有關(guān)。對(duì)于空間結(jié)構(gòu)固定的行星齒輪減速機(jī)而言，齒輪徑向尺寸參數(shù)調(diào)整成本高且較難實(shí)現(xiàn)，因此只能在齒輪軸向進(jìn)行尺寸參數(shù)調(diào)整，即增加齒輪的有效接觸寬度。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，二級(jí)太陽(yáng)輪—行星輪的結(jié)構(gòu)得到改進(jìn)。

  五、行星齒輪減速機(jī)改進(jìn)后齒輪副結(jié)構(gòu)仿真分析

  在原始齒輪副所受扭矩載荷作用下，對(duì)改進(jìn)后的行星齒輪減速機(jī)二級(jí)太陽(yáng)輪—行星輪副接觸強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，二級(jí)太陽(yáng)輪—行星輪齒面接觸應(yīng)力最大值為1228MPa，太陽(yáng)輪安全系數(shù)提升至1.5，安全性能提升了15%，超過(guò)了一級(jí)太陽(yáng)輪—行星輪的安全系數(shù)。這表明結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施有效提高了行星齒輪減速機(jī)二級(jí)太陽(yáng)輪—行星輪的安全性能。

  六、總結(jié)

  通過(guò)對(duì)某電傳動(dòng)自卸車(chē)輪邊行星齒輪減速機(jī)的接觸特性進(jìn)行分析與優(yōu)化，得出了以下結(jié)論：行星齒輪減速機(jī)的二級(jí)太陽(yáng)輪—行星輪更容易發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕，通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，增加了齒輪的有效接觸寬度，使得該齒輪副的接觸應(yīng)力安全系數(shù)提升了15%，安全性能得到了顯著提高。對(duì)于空間結(jié)構(gòu)固定的行星齒輪減速機(jī)，除了增加齒輪副有效接觸長(zhǎng)度外，還可以通過(guò)滲碳淬火等熱處理方法直接提高齒輪的表面強(qiáng)度，從而保障各級(jí)齒輪副接觸強(qiáng)度的安全性能。

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