重型机械新型轮边减速器优化设计

连文香，席海亮，展靖华

(兰州工业学院汽车工程学院，甘肃 兰州 730050)



重型机械新型轮边减速器优化设计

连文香，席海亮，展靖华

(兰州工业学院汽车工程学院，甘肃 兰州 730050)

【目的】 为了解决目前工程机械、重型载货汽车轮边减速器存在的外形庞大、结构笨重等问题，设计了一种新型轮边减速器.【方法】 利用仿真分析软件ADAMS自身提供的优化算法，在保证总传动比不变的情况下，改变齿轮传动路线，以差速器体积最小为精确化的目标函数、确定设计变量及其并行设计的约束条件，对其进行运动仿真分析.【结果】 得出轮边减速器体积最小时所对应的各变量具体值；通过对比分析，仿真结果与理论设计相一致，验证了新型轮边减速器结构设计的正确性.【结论】 应用仿真软件对模型进行结构优化，为产品的理论设计奠定了良好的基础.

行星齿轮；轮边减速器；运动分析

轮边减速器作为驱动桥的第二级减速装置，在载重汽车、大型客车、越野汽车及其他一些大型工程矿用车辆上应用广泛，要求有较高的动力性、通过性.目前，轮边减速器主要有两大类，一类为圆锥行星齿轮式轮边减速器，但是使用轮边减速器后整个驱动桥的结构尺寸并没有很大的变化，影响整车通过性；另一类为圆柱行星齿轮轮边减速器，把集中在中央主减速器上的传动比分配给轮边减速器[1-2]，一定程度上减小了主减速器的尺寸，但在车轮轮毂安装位置一定的情况下，轮边减速器分配的传动比不能保证总传动比的合理分配.采用新型轮边减速器可以在满足总传动比一定的情况下，利用双级行星齿轮运动合成，实现大传动比的减速传动、减小一级主减速器的传动比，使得整个驱动桥结构更加紧凑，进一步提高整车的通过性、降低了整车的装备质量，从而保证整车的动力性[3].

利用ADAMS的虚拟样机技术，运用参数化建模方法，建立优化模型，在保证目标函数体积最小的情况下，利用相应的尺寸关系和传动比约束条件，对轮边减速器进行优化设计，对类似产品的优化设计提供一定的理论依据.

1 新型轮边减速器的结构与工作原理

1.1 结构与工作原理

新型轮边减速器主要由太阳轮、齿圈、双级行星轮、行星架等部件组成，其结构如图1所示.其太阳轮1与半轴9相连，随半轴转动.被动件行星架3与车轮相连，齿圈7与轿壳11相连，被锁紧螺母8锁紧在后壳体11上不能转动，由行星架将动力输出传递给轮毂.在太阳轮1与齿圈7之间装有3个双级行星齿轮2，双级行星齿轮2是在传统单排行星齿轮机构的基础上，将行星齿轮改为双级齿轮，即将一个行星齿轮改为同轴左右2个大小不一样的齿轮，为了进一步增大传动比，将行星齿轮2大齿轮a与太阳轮1啮合，行星齿轮2小齿轮b与齿圈7啮合.行星齿轮通过圆锥滚子轴承6和套筒5支撑在行星架3上，行星架用螺栓与前壳体4相连.动分传递路线为：太阳轮1-行星齿轮2大齿轮a-行星齿轮2小齿轮b-行星架3-轮毂.

1.太阳轮；2.双级行星轮；3.行星架；4.前壳体；5.套筒；6.轴承；7.齿圈；8.螺母；9.半轴；10.后壳体.图1 汽车新型轮边减速器结构Fig.1 The structure diagram of new type wheel reducer

1.2 优化模型的建立

设计变量的表达式X[DV_1 DV_2 DV_3]

1.2.2 约束条件 如图1所示，双级行星齿轮2a齿顶圆与太阳轮距离必须大于等于齿圈7齿顶圆与太阳轮距离：

即 2×DV_3-1.5×DV_2+10≤0

保证传动比α一定小于等于6.708，即

α-6.708≤0

3个设计变量满足：8≤DV-1≤25

25≤DV_2≤45

10≤DV_3≤30

1.2.3 目标函数 计算时各级齿轮的模数己确定，行星轮系几何参数如表1所示.在保证传动比一定的情况下，以体积最小为目标值，根据约束条件在这里以双级行星齿轮2 a齿顶圆到太阳轮中心距为目标函数.

MinF(X)=1.5×DV_1+3×DV_2

2 ADAMS环境下参数化模型建立

2.1 添加约束及驱动

按照表2填加方式依次对各零件施加约束副[7-11]，并且在太阳轮的旋转副上施加旋转运动激励，使太阳轮相对大地保持等速旋转，驱动转速为4 500°/s.

2.2 仿真结果分析

对轮边减速器进行优化计算，主动部件太阳轮的角速度曲线图，保持4 500°/s，得到设计变量DV_2、DV_3及目标函数MinF(X)在优化求解进程中的数值变化曲线，分别如图3-5所示.

表1 行星轮系几何参数Tab.1 The geometric parameters of planetary gear

表2 添加各构件的约束副Tab.2 Add components constraints vice

根据上图变化曲线，得出目标函数最小值为91.584,具体自变量见表3.

图3 双级行星齿轮2a 数值变化曲线Fig.3 The numerical variation curves of two-stage planetary gear a

图4 双级行星齿轮2b 数值变化曲线Fig.4 The numerical variation curves of two-stage planetary gear b

图5 目标函数值变化曲线Fig.5 The change curve of objective function value

表3 优化分析结果Tab.3 Results of optimization analysis

3 理论分析

传统单排行星齿轮，太阳轮与行星齿轮啮合，行星齿轮又于齿圈啮合，当太阳轮1为输入轴，行星架3为输出轴，齿圈7固定时，传动比为：

其中，令齿圈与太阳轮的齿数比为：

新型轮边减器，一级传动，太阳轮1与行星齿轮2大齿轮a啮合，传动比：

另一级传动，行星齿轮2小齿轮b与齿圈7啮合，传动比为：

则有传动比：

新型轮边减速器传动比为：

i13=1+α=1+6.655 8=7.655 8

图6 轮边减速器行星架角速度曲线Fig.6 The planet carrier angular velocity curve of wheel reducer

4 结论

采用刚性体模拟构件的运动情况，利用ADAMS优化设计平台，在保证轮边减速器在传动比一定的情况下，得出轮边减速器体积最小时所对应的各变量具体值，通过分析，轮边减速器的整体半径由原来的127.5mm减小到91.584mm，很大程度减轻了整体尺寸.

利用ADAMS软件对行星齿轮进行运动学仿真，通过精确化的目标函数，准确的设计变量及约束函数，得出轮边减速器优化设计仿真结果传动比为7.665 7，理论计算结果为7.655 8，仿真结果与理论设计相一致，验证了新型轮边减速器结构设计的正确性.

[1] 尹道骏.重型载货汽车轮边减速器研究[D].安徽:合肥工业大学,2010

[2] 温爱伟.重型汽车轮边减速器的分析研究[D].山东:山东大学,2012

[3] 张东浩.NEW行星齿轮传动可靠性优化设计及其动力学仿真[D].山西:太原理工大学,2010

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[8] 贾长治,股车辉,薛文星，等.MDADAMS/View虚拟样机从入门到精通[M].北京：机械工业出版社,2010

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[10] 席海亮,赵春花,连文香.基于ADAMS的4GH120型牧草收割机切割器运动仿真分析[J].甘肃农业大学学报,2013,48(6):160-163

[11]Kahraman,AloadsharingcharacteristicsofPlanetarytransmissions[J].MechanismsandMachineTheory,1994，29(8)：151-165

(责任编辑 赵晓倩)

The optimization design of new wheel reducer used for heavy machinery

LIAN Wen-xiang,XI Hai-liang,ZHAN Jing-hua

(College of Automotive Engineering,Lanzhou Institute of Technology,Lanzhou 730050,China)

【Objective】 To design the new planetary gear wheel reducer directing at the huge shape and cumbersome structure of engineering machinery and heavy truck.【Method】 The optimized calculation of simulation analysis software ADAMS was used,to change the gear transmission route. The minimum reducer volume was calculated as the precision objective function under the condition of invariable total transmission ratio,determine the design variables and the concurrent design constraints,calculate the movement simulation. 【Result】 Specific value of each variable under the hour volume of the wheel side reducer was obtained. Through the comparison and analysis,the simulation results were consistent with the theoretical design,the correctness of the structure design of the new wheel side reducer was verified.【Conclusion】 The simulation software is used to optimize the structure of the model,which laying a good foundation for the design of model theory.

planetary gear;wheel reducer;optimal design

连文香(1982-)，女，硕士，研究方向为车辆动力学建模，仿真及优化设计.E-mail：360522935@qq.com

2015-10-29；

2015-12-03

TH122

A

1003-4315(2016)06-0139-04