混合動力汽車行星齒輪式耦合器設(shè)計

劉子萌，謝建新

（青島黃海學院，山東 青島 266427）

前言

行星齒輪機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊簡單、質(zhì)量輕、承載能力強等優(yōu)點，其在運行過程中可以改變動力傳遞路線，同時可以進行多種運動組合實現(xiàn)多種傳動比，其運行工況穩(wěn)定，并且抵抗沖擊能力強，所以混合動力汽車通常使用行星齒輪作為其傳動系統(tǒng)。

1 行星齒輪設(shè)計

混合動力汽車采用的行星齒輪傳動系統(tǒng)一般是一個兩自由度單排差動行星齒輪機構(gòu)，輸入件為發(fā)動機，輸出件分別與電動機/發(fā)電機相連，主要用于驅(qū)動車輛行駛。發(fā)電機并不是動力源而是實現(xiàn)調(diào)速，進行能量分流[1]。

混合動力汽車行星齒輪機構(gòu)主要有五個部分組成：行星架、太陽輪、行星齒輪（一般由1～3個組成）、齒圈、固定桿。五個部分組成回轉(zhuǎn)輪系，包含六個運動副分別是四個轉(zhuǎn)動副、兩個移動副。一般情況下輸入件為太陽輪或是行星架，輸出件是齒圈。行星齒輪機構(gòu)中全部齒輪均為標準直齒圓柱齒輪并且有兩個自由度[2]。

發(fā)動機、發(fā)電機、電動機/發(fā)電機三者與行星齒輪機構(gòu)相連接的方式比較多，一般有六種情況，進過實驗對比發(fā)現(xiàn)發(fā)動機與行星架相連接，電動機/發(fā)電機與內(nèi)齒圈相連接，發(fā)電機與太陽輪相連接的連接方式具有傳動效率高，速比分配合理，對發(fā)動機、電動機、蓄電池等使用性能要求低等優(yōu)點[3]。普遍應用于混合動力轎車。在此中連接方式中進行行星齒輪機構(gòu)的設(shè)計，其中發(fā)動機與行星架通過離合器相連接，電動機/發(fā)電機與齒圈直接連接，發(fā)電機與太陽輪通過一對減速齒輪相連接，鎖止功能通過制動器完成將發(fā)電機鎖止。

2 行星齒輪有限元分析

行星齒輪機構(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，長時間運行齒面發(fā)生磨損甚至是折斷，齒輪傳動失效，導致耦合器失效。在進行行星齒輪機構(gòu)設(shè)計過程中需要對其進行靜力學分析以驗證其強度和剛度是否滿足設(shè)計要求。行星齒輪機構(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，甚至會產(chǎn)生比較強烈的振動，從而導致齒輪機構(gòu)整體產(chǎn)生疲勞損失，所以需要對行星齒輪機構(gòu)進行模態(tài)分析驗證其設(shè)計在其工作各種工況下時都會產(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)計行星齒輪機構(gòu)的各個零部件參數(shù)，建立行星齒輪中各個零部件的模型，然后將各個零部件按照一定的規(guī)則進行轉(zhuǎn)配，建立行星齒輪機構(gòu)模型。

2.2 靜力學分析

2.2.1 強度分析

將所建模型導入ANSYS仿真軟件中，運用ANSYS軟件中Workbench模塊對模型施加載荷進行強度分析，得到應力云圖如圖1所示。由圖可知行星齒輪機構(gòu)最大應力為301.46 MPa，最大應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。行星齒輪機構(gòu)所選材料的屈服強度為835 MPa，最大應力301.46 MPa小于屈服強度符合設(shè)計要求，而且應力分布均勻，也符合行星齒輪載荷均衡的特點。

圖1 行星齒輪耦合器應力云圖

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，行星齒輪在進行力矩傳遞過程中，如果傳遞再和大于其剛度會發(fā)生彎曲變形從而發(fā)生失效，驗證其剛度是非常有必要的。導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構(gòu)最大變形量為0.008 5 mm，變形出現(xiàn)在齒圈與兩個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，符合齒圈正常運行狀態(tài)，最大變形量非常小，對與齒圈的正常運行不會產(chǎn)生影響，可以忽略不計。

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轉(zhuǎn)時是否會發(fā)生共振的問題，需要計算行星輪系的固有頻率，針對僅電機工作，發(fā)動機/電機同時工作，電磁鎖死控制單元起作用三種工作狀態(tài)，分別進行模態(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 僅電機工作

行星齒輪耦合器僅電機工作時，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，此時電機的轉(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，而行星齒輪機構(gòu)的一階固有頻率1 790.1 Hz遠高于各部件的基頻，而且由仿真結(jié)果可知隨著階次的增高，其頻率值也相應增大。所設(shè)計的行星齒輪機構(gòu)不可能發(fā)生共振現(xiàn)象。

圖3 第一階振型圖（僅電機工作）

2.3.2 發(fā)動機、電機同時工作

行星齒輪耦合器在發(fā)動機、電機同時工作時，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，此時電機的轉(zhuǎn)速范圍為0～3 645 r/min，其基頻為0～60.75 Hz，發(fā)動機轉(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，而行星齒輪機構(gòu)的一階固有頻率1 061 Hz遠高于各部件的基頻，而且由仿真結(jié)果可知隨著階次的增高，其頻率值也相應增大。所設(shè)計的行星齒輪機構(gòu)不可能發(fā)生共振現(xiàn)象。

圖4 第一階振型圖（發(fā)動機、電機同時工作）

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，行星齒輪結(jié)構(gòu)的一階固有頻率值為9 601.4 Hz，此時行星齒輪耦合 器的轉(zhuǎn)速范圍為1 650～2 150 r/min，其基頻為27.5～35.83 Hz，而行星齒輪機構(gòu)的一階固有頻率9 601.4 Hz遠高于各部件的基頻，而且由仿真結(jié)果可知隨著階次的增高，其頻率值也相應增大。所設(shè)計的行星齒輪機構(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，不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，因此行星齒輪耦合器的設(shè)計滿足模態(tài)要求。

3 總結(jié)

利用Solidworks建立了耦合裝置的三維實體模型，運用ANSYSWorkbench的靜力分析模塊，文章對行星齒輪耦合器最大載荷情況進行了強度、剛度分析，同時對各個工作狀態(tài)進行了模態(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)計要求。