汽車行星齒輪邊減速器動力學性能分析與研究

夏 冰，吳克勤，李 勤

（沈陽工業大學遼陽校區， 遼寧 沈陽 111000）

引言

就行星齒輪結構而言，過去人們均圍繞其均載性展開研究，對于這種復雜的動力傳動系統來說，這種研究方式具有很大的局限性。目前，基于轉向動態特征的研究已經取得一定突破。受動激勵的影響，齒輪傳動系統產生響應，而動激勵又有內外激勵之分。內激勵是行星齒輪區別于常規機械結構的主要特征。在行星齒輪結構進行研究時，要充分考慮有關零部件的物理彈性，同時要根據有關因素和使用方法的不同建立響應的動力學模型。通常情況下，動力學模型主要為以下兩種：一是集中參數模型；二是有限元模型。由于第一種模型存在的誤差較大，因此，一般通過有限元模型的建立來研究行星齒輪結構及其特征。

1 汽車行星齒輪減速器的簡述

雙級減速驅動橋被很多汽車用于齒輪的第二級減速器，而汽車輪轂附近或中間一般安裝輪邊減速器，這樣可以大幅度縮小中間主減速器的尺寸，從而保證汽車的通過性。眾所周知，輪邊是所有減速器重點最后一級，導致其前面包括半軸和差速器在內的有關零部件都可以實現尺寸的減小。二級減速裝置的行星齒輪轉動一般以直齒圓柱為主，然而受汽車行駛時路面顛簸等外在因素的影響，其所處的理學環境相對復雜。在很多應用環境中，影響齒輪轉動系統可靠性及壽命的關鍵因素有以下兩類，即系統轉動時的噪聲和振動。因此，根據現代設計理念，通過引入ANSYS等成熟技術對行星齒輪系統進行動力學分析以進一步了解其特征，為優化這一復雜的動力傳動系統奠定基礎。

2 齒輪動力學模型

建立于沖擊理論之上的齒輪動力學模型，在傳統研究中主要以嚙合沖擊進行描述，并以此作為動態激勵和響應的解釋依據。有關動力學行為是建立在沖擊作用下單獨系統的動態響應基礎之上的。通過振動理論的引入，對齒輪系統進行動力學特征的研究，最終得出了相應的動力學模型，這是齒輪學理論研究的新起點。隨著科學技術和經濟的發展，基于齒輪動力學的研究也不斷取得突破。

3 輪邊減速器結構以及模型

3.1 行星齒輪邊減速器結構與優化

目前，行星齒輪減速驅動橋被廣泛應用于汽車領域，但是從物理結構特征上進行區分，又存在圓錐和圓柱行星齒輪式輪邊減速驅動橋兩類。如果車輛對動力要求較大且需要較大的通過性，則采用輪式結構。通過增扭降速達到技術升級的目的。由于減速器傳動比減小，進而使傳遞的轉矩得以降低，最終實現了結構齒輪的減少。以行星齒輪結構為主的輪邊減速器通過增扭減速，實現了齒輪減速傳動，因此，這種結構一般應用于大功率汽車。具體結構參見圖1。

圖1 行星齒輪輪邊減速器的結構

通過上圖分析可知，行星齒輪減速器結構如下：圖1-1的主動件為太陽輪，從動件為內齒圈，而固定不動的則是行星齒輪架；圖1-2的主動件是太陽輪，從動件是行星齒輪架，而固定不變的是內齒圈；圖1-3的主動件是內齒圈，從動件是行星齒輪架，而固定不變的是太陽輪。而目前汽車所采用的結構模式主要以圖1-2所示的結構為主。

3.2 輪邊減速器結構傳動過程

就行星輪邊減速器而言，其結構的傳動是根據下圖所示的原理進行，詳見圖2。

圖2 動力傳遞示意圖

在安裝動力傳遞結構的過程中，一般用螺絲釘將驅動橋殼兩端的花鍵套固定。然后將齒圈架安裝在其外圓花鍵上，并將兩者連接，花鍵將內齒圈與其架連接，且將齒圈固定使其不動。在半軸外端用花鍵安裝太陽輪，并用卡環將其端頭定位。行星齒輪倍固定于軸上，并使之與太陽輪和內齒圈嚙合。螺釘將行星架和輪轂固定在一起，然后將后者支撐于花鍵套上。太陽輪等將來自于差速器的動力傳至輪轂（驅動輪），獲得動力的輪轂開始旋轉，汽車獲得動力進而得以在路面行使。齒輪邊減速器外側被端蓋封閉，進而實現了閉式傳動，進而預防轉動過程中半軸向外竄動，端蓋上有螺塞孔并被封堵，需要加注潤滑油時，打開螺塞孔即可。浮動油封安裝于輪轂內側和花鍵套之間，預防潤滑油滲透進入制動器。

3.3 行星齒輪結構設計

輪邊減速器主要部件之一的行星齒輪結構，其精準性的高低決定了分析求解結果是否精準。基于此，要用參數化設計方法在三維建模軟件中對其結構進行分析和設計，在此過程中，既要保證坐標原定位置準確，又要確保便于安裝，通過零部件有關尺寸的標注和相關位置關系的約束，實現特征參數建模過程的全程約束，三維模型主要如圖3所示。

圖3 齒輪分解模型

4 結語

本文通過輪邊減速器結構模型的分析和在汽車上的具體應用效果分析，為本文的研究奠定了基礎，通過有關建模軟件對輪邊減速器進行結構模型的建立，實現了動力學分析的三維模型化研究，從而提高了研究的針對性。