某電動重卡主減速器傳動系統(tǒng)力學特性仿真分析

陳志超，許煥彬

（韶關學院，智能工程學院，廣東 韶關512005）

齒輪傳動系統(tǒng)是機械傳動設備中最廣泛使用的動力和運動傳輸裝置，其力學特性直接影響到整個機械傳動設備的運行情況。為了改進機械傳輸性能，降低齒輪傳動系統(tǒng)的振動和噪聲，對齒輪傳動動力學振動模型的研究具有重要意義[1-2]。本文以某電動重卡主減速器傳動系統(tǒng)作為研究對象，采用ADAMS軟件對其力學特性進行仿真分析，并獲得嚙合力、周向力、徑向力和軸向力的變化規(guī)律。

1 虛擬樣機模型建立

首先，運用三維實體建模軟件SolidWorks2018進行三維建模繪圖，建立電動重型卡車主減速器傳動系統(tǒng)三維實體模型，并將其相應零件相互約束、裝配，如圖1所示。

圖1電動重型卡車主減速器傳動系統(tǒng)三維模型

將三維模型導入ADAMS軟件，通過數(shù)據(jù)對接窗口，將主減速器中的齒輪尺寸參數(shù)以及嚙合關系傳遞到ADAMS環(huán)境中。ADAMS動力學模型如圖2所示。在該模型中，高速旋轉的小錐齒輪是主動件，大錐齒輪和第二級傳動的圓柱斜齒輪、差速器等為從動件，故對小錐齒輪添加旋轉運動，其他零件添加從動輪轉動。假定在齒輪傳動過程中，各零件都是剛體，因此在各齒輪摩擦嚙合碰撞中采用impact函數(shù)等效模型。由于傳動過程中存在嚙合摩擦力，綜合考慮動摩擦和靜摩擦的共同影響。各零件材料力學特性如表1所示。

表1 材料力學特性

將齒輪上的接觸碰撞近似看成兩變曲率半徑實體的碰撞，由Hertz理論可知[3-4]：

等效變形接觸法向力P和變形量的關系為

其中

仿真中涉及的動力學參數(shù)取值，如表2所示。

表2 動力學參數(shù)取值

載貨汽車在滿載下行駛，滿載質量19 000 kg，輪胎滾動半徑0.51 m，滾動阻力系數(shù)0.013，最高行駛速度120 km/h，滿載后驅動橋分配的質量1.203×106kg。計算得滿載時作用在半軸齒輪的負載力矩為398.03 N·m，行駛在實驗路段時相應的輸入主減速器轉速為（12000× 0.85×360×60）（°）/s。設置仿真時間50 s，步長0.01 s，進行動力學仿真。

2 齒輪嚙合力時頻域分析

兩級齒輪嚙合力的時域和頻域圖如圖3～6所示。由圖3可知，轉動穩(wěn)定后，第一級齒輪嚙合力呈周期性變化，最大值為3.5×107N，最小值為0 N。在嚙合過程中，嚙合力隨輪齒間的嚙入和嚙出呈周期性波動。其中0.7～1.7 s為嚙出階段，由于接觸面積不斷減少，嚙合力不斷增加，直至極大值；1.7～2.7 s為嚙入階段，由于齒輪接觸面積的不斷增大，嚙合力不斷減小，直至極小值。其中，完全嚙入點的平均嚙合力約為10 000 N，完全嚙出點的平均嚙合力約為17 000 N，如此周而復始不斷波動，不斷嚙入嚙出。

由圖4可知，第一級齒輪嚙合力的頻率主要集中在45 Hz和 90 Hz，還有少量45nHz（n≥ 3且為整數(shù)）的分量，說明出現(xiàn)了倍頻現(xiàn)象[5]。45 Hz和90 Hz分別是第一級齒輪的多齒和少齒嚙合傳動頻率。在齒輪嚙合傳動過程中，少齒嚙合由于嚙合面積小，傳動穩(wěn)定性相對多齒嚙合差，因此在傳動過程中頻率呈現(xiàn)兩種主要頻率，而它們之間的占比則主要取決于傳動嚙合度。

圖3 第一級齒輪嚙合力時域圖

圖4 第一級齒輪嚙合力頻譜圖

由圖5可知，第二級齒輪嚙合力也呈周期性變化，最大值為9.8×107 N，最小值為0 N。與第一級齒輪嚙合過程類似，齒輪接觸力也隨齒輪傳動過程中輪齒間的嚙入和嚙出呈周期性波動。由圖6可知，第二級齒輪嚙合力的頻率主要集中在8 Hz、16 Hz、24 Hz、32 Hz，還有少量 8nHz（n≥5 且為整數(shù)）的分量，亦出現(xiàn)倍頻現(xiàn)象。8 Hz和16 Hz分別為第二級齒輪的多齒和少齒嚙合振動頻率。

圖5 第二級齒輪嚙合力時域圖

圖6 第二級齒輪嚙合力頻譜圖

3 齒輪周向力、徑向力、軸向力分析

由圖7、8可知，第一級齒輪周向力呈雙向不對稱周期性變化，最大值為1.8×107N，最小值為0 N；第二級齒輪周向力呈單向周期性變化，最大值為9.8×107N，最小值為0 N。

圖7 第一級齒輪周向力時域圖

圖8 第二級齒輪周向力時域圖

由圖9、10可知，第一級齒輪徑向力呈單向周期性變化，最大值為3.2×107N，最小值為0 N；第二級齒輪徑向力呈雙向不對稱周期性變化，最大值為1.1×107N，最小值為0 N。

圖9 第一級齒輪徑向力時域圖

圖10 第二級齒輪徑向力時域圖

由圖11、12可知，兩級齒輪軸向力均呈雙向對稱周期性變化；第一級齒輪軸向力最大值為1.25×107N，最小值為0 N；第二級齒輪軸向力最大值為3.5×107N，最小值為0 N。

圖11 第一級齒輪軸向力時域圖

圖12 第二級齒輪軸向力時域圖

4 結束語

運用ADAMS軟件對某電動重型卡車主減速器傳動系統(tǒng)的力學特性進行了仿真分析。結果表明，第一級齒輪嚙合力在0～3.5×107N之間快速變化，其頻率主要在45 Hz、90 Hz；第二級齒輪嚙合力在0～9.8×107N之間快速變化，其頻率主要在8 Hz、16Hz、24 Hz、32 Hz；周向力、徑向力和軸向力均呈周期性變化。仿真結果可為主減速器的箱體設計及減振性能的提升提供理論依據(jù)。