電動(dòng)汽車(chē)的減速器設(shè)計(jì)及有限元分析

李健 王小美 沈易晨

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē);減速器;有限元分析

0 引言

隨著汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展和汽車(chē)保有量的不斷增加，污染物排放日益增加，環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越突出，新能源汽車(chē)的開(kāi)發(fā)成為汽車(chē)行業(yè)未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)[1]。減速器是電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的核心零部件之一，直接承受著電機(jī)和車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)沖擊，其壽命的長(zhǎng)短直接影響電動(dòng)汽車(chē)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。因此研究及開(kāi)發(fā)新能源汽車(chē)的減速器具有重要意義[2]。

1 方案的選擇

行星齒輪減速器又稱(chēng)為行星減速機(jī)、伺服減速機(jī)，受到廣泛的應(yīng)用。由于替代固定傳動(dòng)軸的傳動(dòng)，多個(gè)行星輪之間分?jǐn)傌?fù)荷，因而要合理利用內(nèi)部齒輪裝置，提高效率。相對(duì)于其他減速器，行星減速器具有體積小、效率高、傳動(dòng)比范圍較大和受到載荷影響小的優(yōu)點(diǎn)。

圓柱形齒輪減速器采用滲碳、淬火和磨牙等方法生產(chǎn)，具有較高的承載能力和較低的噪聲水平，因此常用于機(jī)械輸送方面，也用于其他通用機(jī)械的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。它具有承載力高、壽命長(zhǎng)、體積小、效率高和質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。齒輪的分類(lèi)主要有斜齒、直齒和人字齒。直齒主要用于低速和低負(fù)荷傳輸領(lǐng)域;斜齒輪因?yàn)槠淇梢該碛斜容^高的傳動(dòng)速度，常常用于汽車(chē)減速器等。經(jīng)綜合考慮，本文選用斜齒輪為該減速器的主要傳動(dòng)齒輪。

2 減速器設(shè)計(jì)

用于汽車(chē)傳動(dòng)的減速器齒輪需要考慮的因素較多。直齒圓柱齒輪應(yīng)力的要求比較低，斜圓柱形齒輪相對(duì)于直齒圓柱齒輪優(yōu)點(diǎn)比較多，所以本次設(shè)計(jì)選用斜圓柱齒輪。根據(jù)減速器的實(shí)際工況，齒輪材料選用40Cr，并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，齒輪精度為五級(jí)，選擇磨齒工藝。

根據(jù)GB/T18385-2005《電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性能試驗(yàn)方法》的要求[3]，針對(duì)傳動(dòng)比對(duì)車(chē)輛行駛的最高車(chē)速和爬坡度的影響兩方面進(jìn)行計(jì)算，得出減速器速比應(yīng)該介于7 ～ 9 之間，且可以滿足汽車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)相關(guān)資料和標(biāo)準(zhǔn)，最終確定了總傳動(dòng)比為8.7，將其合理分配，第一級(jí)速比為3.4，第二級(jí)速比為2.5。按照公式（1）計(jì)算齒輪齒數(shù)。

第一級(jí)主動(dòng)齒輪齒數(shù)選擇為21，由公式（1）可計(jì)算得到第一級(jí)從動(dòng)齒輪齒數(shù)為72。

第二級(jí)主動(dòng)齒輪齒數(shù)選擇為24，由公式（1）可計(jì)算得到第二級(jí)從動(dòng)齒輪齒數(shù)為61。

運(yùn)用CATIA 軟件對(duì)減速器的各個(gè)部件進(jìn)行單獨(dú)建模設(shè)計(jì)，然后通過(guò)裝配模塊進(jìn)行組裝，最終得到斜圓柱齒輪減速器的三維模型（圖1）。

3 齒輪的強(qiáng)度分析

有限元分析過(guò)程包括有限元模型的建立、網(wǎng)格單元的劃分、材料屬性的定義、載荷邊界條件的施加、數(shù)據(jù)分析處理和計(jì)算以及分析結(jié)果可視化與輸出。

由于齒輪是主要承載件，因此利用Workbench 對(duì)齒輪進(jìn)行有限元分析，從而保證設(shè)計(jì)的可靠性。齒輪選用的材料為40Cr，密度為7 820 kg/m3，泊松比為0.227，彈性模量為211 GPa，材料屈服強(qiáng)度約為900 MPa。首先對(duì)齒輪進(jìn)行粗略網(wǎng)格劃分，進(jìn)而調(diào)整相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行詳細(xì)劃分與更新。

確定其邊界條件及約束，應(yīng)對(duì)齒輪添加荷載，在齒輪受力處添加扭矩，進(jìn)而對(duì)齒輪進(jìn)行強(qiáng)度分析，得出齒輪的應(yīng)力云圖和齒輪位移云圖（圖2 和圖3）。由圖2 和圖3 可以看出，在施加約束后齒輪的最大位移為0.567 mm，且在此情況下齒輪的最大應(yīng)力為752 MPa，小于材料的屈服應(yīng)力900 MPa，所以齒輪的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)的要求。

4 軸的強(qiáng)度分析

傳動(dòng)軸選用的材料為40Cr，同樣對(duì)其進(jìn)行有限元計(jì)算，對(duì)網(wǎng)格劃分完畢的傳動(dòng)軸，施加相應(yīng)的約束和扭矩載荷。通過(guò)計(jì)算得出傳動(dòng)軸的應(yīng)力分布圖和位移云圖（圖4 和圖5）。

由圖4 和圖5 可以看出，施加約束后傳動(dòng)軸的最大位移為0.135 mm，在此情況下傳動(dòng)軸的最大應(yīng)力為655 MPa。從圖中可以看出，應(yīng)力集中于前半段部分的臺(tái)肩處，小于材料的屈服應(yīng)力800 MPa，所以傳動(dòng)軸的強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。

5 結(jié)論

本文對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的減速器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，計(jì)算了傳動(dòng)比，確立了齒輪參數(shù)，并且選定了相關(guān)材料。在Workbench 軟件中導(dǎo)入了減速器的齒輪和傳動(dòng)軸模型，針對(duì)應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果顯示二者均符合材料的力學(xué)性能。因此可以滿足工程使用要求，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)減速器的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)具備一定的工程參考價(jià)值。