減速機(jī)單臂行星架的等邊距輕量化研究

鹿飛 張珂 時維方 阮計連

摘要?行星減速機(jī)一般采用多級行星傳動，但是由于受軸向尺寸的限制，也為了裝配簡單，一級和二級的行星架多采用單臂行星架結(jié)構(gòu);而單臂行星架存在剛性較差、質(zhì)量大等缺點(diǎn)，利用有限元對行星減速機(jī)單臂行星架進(jìn)行了分析，研究論證邊距對三角形結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，并提出一種等邊距內(nèi)圓弧的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞 行星架 ?單臂 ? 力學(xué)性能 ?等邊距 ? 輕量化

0引言

行星架是行星齒輪傳動中承受外力矩最大的零部件，同時質(zhì)量、尺寸也最大。傳統(tǒng)設(shè)計中，行星架多是憑經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計參數(shù)較為保守，造成行星架的富裕量較大，隨著設(shè)計、加工方法的不斷完善，對其進(jìn)行輕量化研究具有十分重要的意義。

1行星架結(jié)構(gòu)設(shè)置的分析

1.1 建立行星架三維模型

本文中我們利用有限元軟件，以某減速機(jī)的二級行星架為研究對象，材料為42CrMoA，對其應(yīng)力場、變形場進(jìn)行計算，尋求剛度大、質(zhì)量輕的行星架結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。普通的圓形單臂行星架如圖1所示：建模時對模型進(jìn)行必要的簡化，略去不影響計算的小孔、圓角和倒角等，有利于有限元的分析[1-2]。

在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)和文獻(xiàn)中[3-4]，已經(jīng)將圓形結(jié)構(gòu)改為三角形結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中。在實(shí)際運(yùn)用中發(fā)現(xiàn)，將圓形結(jié)構(gòu)改成三角形結(jié)構(gòu)后，銷軸到三角形邊的距離對行星架的力學(xué)性能影響較大，邊距的定義如圖1所示;如果選取不恰當(dāng)會對行星傳動帶來很大的影響。

1.2 有限元網(wǎng)格劃分

行星架采用四面體網(wǎng)格的劃分方法，并對重點(diǎn)研究的銷軸部位進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。網(wǎng)格劃分的大小由粗到細(xì)，直至計算出的結(jié)果量變化不超過5%，此時網(wǎng)格收斂，網(wǎng)格大小劃分合理。

1.3 邊界條件的施加

在行星架工作過程中，行星輪軸主要受到行星輪傳遞的切向力作用，行星輪同時和太陽輪以及內(nèi)齒圈相嚙合，故行星架銷軸受到力為二者之和[5-6]。在有限元中模擬軸承內(nèi)圈對銷軸的作用力，將載荷施加在行星架的銷軸上，對每個行星輪軸施加一個沿圓周方向的均勻面力。

2.邊距對行星架力學(xué)性能的影響分析

本文采用控制變量法進(jìn)行研究，只改變邊距的大小，其他參數(shù)值不變;銷軸的直徑一般會和行星架的受載以及板厚等因素有關(guān)，為使得研究具有一定的通用性，將邊距的大小和銷軸的直徑聯(lián)系在一起，具有全面性和普遍性，滿足研究需求，本文分別取邊距為0.25D與0.5D、0.75D的三角行星架作為研究對象，其中D為銷軸的直徑。

2.1運(yùn)用有限元分析計算

根據(jù)上面敘述的有限元計算方法分析比較行星架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，通過分析結(jié)果可以看出隨著邊距的不斷增大，行星架的結(jié)構(gòu)性能有很大的改善，在達(dá)到0.75D的邊距后，行星架的總變形已經(jīng)接近與圓形結(jié)構(gòu)，應(yīng)力方面的性能較圓形結(jié)構(gòu)有所提升，綜上所述：選用三角形結(jié)構(gòu)時需要注意邊距的選擇，確保同時滿足結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和輕量化的需求。

3 等邊距圓弧行星架結(jié)構(gòu)分析

本文采用一種新型圓弧等邊距的行星架設(shè)計方案，即三角形的邊采用內(nèi)圓弧形狀，既保證邊距滿足要求，又可以節(jié)約材料。而且采用圓弧的結(jié)構(gòu)方式，保存了原來圓形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，有利于提升行星架的力學(xué)性能。建立邊距為0.5D的圓弧行星架結(jié)構(gòu)，利用相同的有限元分析方法進(jìn)行計算，得到的計算結(jié)果如圖3 所示：

最大變形量0.1022（mm） 最大應(yīng)力282.48（MPa）

根據(jù)計算結(jié)果，從質(zhì)量、應(yīng)力和最大變形三個方面對比兩種結(jié)構(gòu)的行星架結(jié)構(gòu)性能，通過有限元分析可得，根部應(yīng)力下降了4.76%;最大變形量下降了0.97%，同時質(zhì)量下降了11.25%，既提高了行星架的力學(xué)性能，又到達(dá)了明顯的輕量化效果。

4 結(jié)論

將行星架的結(jié)構(gòu)設(shè)計為等邊距的圓弧行星架，圓弧結(jié)構(gòu)具有受力均勻、應(yīng)力小的特點(diǎn)，力學(xué)性能較三角形的行星架有所改觀，同時達(dá)到了輕量化的的要求。本文中行星輪個數(shù)為3個，外形是三角形的，如果是4個行星輪，則外形可以是正方形的，以此類推達(dá)到輕量化的效果。

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