混合動(dòng)力汽車行星齒輪式耦合器設(shè)計(jì)

劉子萌，謝建新

（青島黃海學(xué)院，山東 青島 266427）

前言

行星齒輪機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其在運(yùn)行過程中可以改變動(dòng)力傳遞路線，同時(shí)可以進(jìn)行多種運(yùn)動(dòng)組合實(shí)現(xiàn)多種傳動(dòng)比，其運(yùn)行工況穩(wěn)定，并且抵抗沖擊能力強(qiáng)，所以混合動(dòng)力汽車通常使用行星齒輪作為其傳動(dòng)系統(tǒng)。

1 行星齒輪設(shè)計(jì)

混合動(dòng)力汽車采用的行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)一般是一個(gè)兩自由度單排差動(dòng)行星齒輪機(jī)構(gòu)，輸入件為發(fā)動(dòng)機(jī)，輸出件分別與電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)相連，主要用于驅(qū)動(dòng)車輛行駛。發(fā)電機(jī)并不是動(dòng)力源而是實(shí)現(xiàn)調(diào)速，進(jìn)行能量分流[1]。

混合動(dòng)力汽車行星齒輪機(jī)構(gòu)主要有五個(gè)部分組成：行星架、太陽輪、行星齒輪（一般由1～3個(gè)組成）、齒圈、固定桿。五個(gè)部分組成回轉(zhuǎn)輪系，包含六個(gè)運(yùn)動(dòng)副分別是四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、兩個(gè)移動(dòng)副。一般情況下輸入件為太陽輪或是行星架，輸出件是齒圈。行星齒輪機(jī)構(gòu)中全部齒輪均為標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪并且有兩個(gè)自由度[2]。

發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)三者與行星齒輪機(jī)構(gòu)相連接的方式比較多，一般有六種情況，進(jìn)過實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與行星架相連接，電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)與內(nèi)齒圈相連接，發(fā)電機(jī)與太陽輪相連接的連接方式具有傳動(dòng)效率高，速比分配合理，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、蓄電池等使用性能要求低等優(yōu)點(diǎn)[3]。普遍應(yīng)用于混合動(dòng)力轎車。在此中連接方式中進(jìn)行行星齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其中發(fā)動(dòng)機(jī)與行星架通過離合器相連接，電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)與齒圈直接連接，發(fā)電機(jī)與太陽輪通過一對(duì)減速齒輪相連接，鎖止功能通過制動(dòng)器完成將發(fā)電機(jī)鎖止。

2 行星齒輪有限元分析

行星齒輪機(jī)構(gòu)在傳遞扭矩過程中，齒與齒通過面接觸和線接觸完成力矩傳遞，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行齒面發(fā)生磨損甚至是折斷，齒輪傳動(dòng)失效，導(dǎo)致耦合器失效。在進(jìn)行行星齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中需要對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析以驗(yàn)證其強(qiáng)度和剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求。行星齒輪機(jī)構(gòu)在工作過程中除了傳遞力矩還受到?jīng)_擊載荷作用，載荷是周期性的變化，甚至?xí)a(chǎn)生比較強(qiáng)烈的振動(dòng)，從而導(dǎo)致齒輪機(jī)構(gòu)整體產(chǎn)生疲勞損失，所以需要對(duì)行星齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析驗(yàn)證其設(shè)計(jì)在其工作各種工況下時(shí)都會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象[4]。

2.1 模型建立

在solidworks三維建模軟件總輸入所設(shè)計(jì)行星齒輪機(jī)構(gòu)的各個(gè)零部件參數(shù)，建立行星齒輪中各個(gè)零部件的模型，然后將各個(gè)零部件按照一定的規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)配，建立行星齒輪機(jī)構(gòu)模型。

2.2 靜力學(xué)分析

2.2.1 強(qiáng)度分析

將所建模型導(dǎo)入ANSYS仿真軟件中，運(yùn)用ANSYS軟件中Workbench模塊對(duì)模型施加載荷進(jìn)行強(qiáng)度分析，得到應(yīng)力云圖如圖1所示。由圖可知行星齒輪機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力為301.46 MPa，最大應(yīng)力處于行星齒輪與齒圈、行星齒輪與太陽輪嚙合的位置，屬于正常的受力位置。行星齒輪機(jī)構(gòu)所選材料的屈服強(qiáng)度為835 MPa，最大應(yīng)力301.46 MPa小于屈服強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求，而且應(yīng)力分布均勻，也符合行星齒輪載荷均衡的特點(diǎn)。

圖1 行星齒輪耦合器應(yīng)力云圖

2.2.2 剛度分析

剛度是衡量剛性物體受力抵抗變形的能力，行星齒輪在進(jìn)行力矩傳遞過程中，如果傳遞再和大于其剛度會(huì)發(fā)生彎曲變形從而發(fā)生失效，驗(yàn)證其剛度是非常有必要的。導(dǎo)入仿真軟件模型施加載荷得到云圖如圖2所示。從圖可知行星齒輪機(jī)構(gòu)最大變形量為0.008 5 mm，變形出現(xiàn)在齒圈與兩個(gè)行星齒輪相嚙合的外圓周側(cè)，而且最大變形量在外側(cè)中間位置，符合齒圈正常運(yùn)行狀態(tài)，最大變形量非常小，對(duì)與齒圈的正常運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生影響，可以忽略不計(jì)。

圖2 行星齒輪耦合器變形云圖

2.3 模態(tài)分析

為了研究行星齒輪耦合器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)是否會(huì)發(fā)生共振的問題，需要計(jì)算行星輪系的固有頻率，針對(duì)僅電機(jī)工作，發(fā)動(dòng)機(jī)/電機(jī)同時(shí)工作，電磁鎖死控制單元起作用三種工作狀態(tài)，分別進(jìn)行模態(tài)分析。一般來說，引起行星齒輪共振的主要是低階次頻率。因此，利用ANSYS中的Block Lanczos法提取了前6階模態(tài)頻率及陣型。

2.3.1 僅電機(jī)工作

行星齒輪耦合器僅電機(jī)工作時(shí)，行星齒輪結(jié)構(gòu)的一階固有頻率值為1 790.1 Hz如圖3所示，此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為0～918 r/min，其基頻為0～15.3 Hz，由轉(zhuǎn)速的等效杠桿法得出行星輪的轉(zhuǎn)速范圍為0～2 075 r/min，其基頻為0～34.6 Hz，而行星齒輪機(jī)構(gòu)的一階固有頻率1 790.1 Hz遠(yuǎn)高于各部件的基頻，而且由仿真結(jié)果可知隨著階次的增高，其頻率值也相應(yīng)增大。所設(shè)計(jì)的行星齒輪機(jī)構(gòu)不可能發(fā)生共振現(xiàn)象。

圖3 第一階振型圖（僅電機(jī)工作）

2.3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)同時(shí)工作

行星齒輪耦合器在發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)同時(shí)工作時(shí)，行星齒輪結(jié)構(gòu)的一階固有頻率值為1 061 Hz。如圖4所示，此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為0～3 645 r/min，其基頻為0～60.75 Hz，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為0～1 650 r/min，其基頻為0～27.5 Hz，由轉(zhuǎn)速的等效杠桿法得出行星輪的轉(zhuǎn)速范圍為0～7 843 r/min，其基頻為0～130.72 Hz，而行星齒輪機(jī)構(gòu)的一階固有頻率1 061 Hz遠(yuǎn)高于各部件的基頻，而且由仿真結(jié)果可知隨著階次的增高，其頻率值也相應(yīng)增大。所設(shè)計(jì)的行星齒輪機(jī)構(gòu)不可能發(fā)生共振現(xiàn)象。

圖4 第一階振型圖（發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)同時(shí)工作）

2.3.3 電磁鎖死控制單元起作用

行星齒輪耦合器在電磁鎖死控制單元起作用時(shí)，行星齒輪結(jié)構(gòu)的一階固有頻率值為9 601.4 Hz，此時(shí)行星齒輪耦合 器的轉(zhuǎn)速范圍為1 650～2 150 r/min，其基頻為27.5～35.83 Hz，而行星齒輪機(jī)構(gòu)的一階固有頻率9 601.4 Hz遠(yuǎn)高于各部件的基頻，而且由仿真結(jié)果可知隨著階次的增高，其頻率值也相應(yīng)增大。所設(shè)計(jì)的行星齒輪機(jī)構(gòu)不可能發(fā)生共振現(xiàn)象。

綜上所述，由模態(tài)分析結(jié)果可知，無論在各個(gè)工作情況下，行星齒輪耦合器的固有頻率均大于其基頻，不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，因此行星齒輪耦合器的設(shè)計(jì)滿足模態(tài)要求。

3 總結(jié)

利用Solidworks建立了耦合裝置的三維實(shí)體模型，運(yùn)用ANSYSWorkbench的靜力分析模塊，文章對(duì)行星齒輪耦合器最大載荷情況進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度分析，同時(shí)對(duì)各個(gè)工作狀態(tài)進(jìn)行了模態(tài)分析，由分析結(jié)果可以看出，行星齒輪耦合器滿足各方面設(shè)計(jì)要求。