电动机驱动器行星架的结构优化

胡涛

（广东肇庆爱龙威机电有限公司，广东 肇庆526000）

0 引 言

随着社会的进步，人们对电动机的要求越来越高，在满足基本性能的前提下，对噪声、价格、质量、安全等方面提出了更多更高的要求。行星架作为驱动器中的重要零件，承受的外力矩比较大，它的变形直接影响到齿轮的受力状态，从而间接的影响到整个驱动器的噪声、齿轮寿命[1]。

文中基于ANSYS Workbench软件，综合考虑制造工艺和组装工艺，结合实际受力状态，对现有的行星架进行理论分析和有限元分析，通过公式分析其变形趋势，以此指导有限元分析和优化方向，校核对比优化前后的强度与刚度，并通过实验验证了达到了减重、降低成本、增加寿命的效果，并且为噪声的改善创造了条件。

1 现状分析

图1（a）为传统的行星架结构，该结构复杂，存在制造精度相对较差、耐久性不好、扇形结构边角处容易出现裂纹等问题，故而现有设计摒除了传统设计。现有的行星架由一个金属支架、一个输出齿和10根轴（5根φ5的轴和5根φ3的轴）组成，如图1（b）所示，其中，φ5的轴与行星轮配合并用于提高行星架抗扭刚度，φ3的轴用于加强刚度，进一步保证传动的平稳性，从而提高齿轮的寿命、传动效率和改善噪声。

图1 行星架构造

为进一步改善产品，提高产品竞争力，要求在现有结构的基础上，对模具进行微修，在保持当前刚度、强度、产品寿命、噪声水平的前提下，实现减轻质量、降低成本等目标。

图1（b）所示零件的材料及其力学性能统计如表1所示。输出齿输出转矩Toutput=270 N·m。

表1 行星架零件材料力学性能表

2 行星架受力分析与变形趋势估算

为更好地进行受力分析，需要对现有的行星架作简化等效处理，此处将行星架的1/5模型作为研究对象，同时为了更好地做出趋势判断，为优化方向提供更好的思路，先以一根大轴作为分析对象，如图2（a）所示。

图2 受力分析模型

图2（b）为行星架受力简化模型图，图中E为轴材料的弹性模量，F为轴的支撑反力，L为轴悬臂长度，I为其惯性矩，圆形截面梁的惯性矩I=πd4/64，d为轴的直径，Ymax为轴的最大挠度，根据悬臂梁的挠度方程[2]Ymax=-FL3/（3EI），从而得到Ymax=-64FL3/（3πEd4）。由上式可知，对挠度影响最大的因子是轴的直径，其次是悬臂长，最后是支承反力和材料属性。因此，优化的首要目标选择轴的直径，由于悬臂长的改动会影响内齿圈、太阳轮、行星轮的长度改动，为尽可能减少模具的改动，故对悬臂长不作任何改动。

根据上述分析，结合目前行星架5根φ5的轴和5根φ3的轴组合情况，可以考虑以5根φ6的轴来替代现有的轴的组合，达到优化的目的，前提是需要保证轴的强度、刚度不降低。由于实际情况是大小轴的组合受力，且大小轴扭力对应的半径也不同，情况相对复杂，为此，采用ANSYS Workbench软件对现有的和优化后的行星架方案进行强度和刚度的校核对比。

3 行星架静力学有限元分析

1）方案模型简化。为方便计算，在不影响结果对比的基础上，现对原有方案和优化方案模型进行简化，取1/5模型为研究分析对象，简化后效果如图3所示。

图3 方案简化模型

2）实际工况分析。输出齿输出转矩Toutput=270 N·m，为堵转转矩，均分到原方案中的每根大轴和小轴或者优化方案中的每根大轴转矩为T=270×1/5=54 N·m，此时金属支架按固定等效。

3）有限元模型建立。为有利于网格划分，对输出齿不必要的部分删除、对金属支架和输出齿作刚体处理。为了保证有限元分析结果精确度，对轴与支架、轴与输出齿连接部分的网格进行加密处理，其余部分网格可以相对较大，以此保证计算精度的同时控制计算的规模。

4）计算结果分析。根据实际工况、结构特点、受力方式等因素，对分析对象进行边界设置和载荷施加，如图4所示。

分析计算强度结果如图5所示，从图中可知，最大应力在轴与输出齿交界处，此处由于存在面与线的接触，会有应力集中的现象，因此应当以附近局部应力为参考，由图中局部应力显示可知，所受应力有所减小，可知新方案中的轴的强度得到了提高。

图5 强度计算结果

分析计算的刚度结果如图6所示，由图中可知，原有方案在堵转时轴的变形比优化方案轴的变形要大一倍以上。

图6 刚度计算结果

新旧两种方案在不同载荷下轴的具体变形对比如图7所示，从图7可知，在堵转负载以下的任何载荷，优化方案的变形量都要比原方案的小，结果表明此优化方案切实可行。

图7 不同载荷下刚度计算结果对比

4 实验验证与分析

根据优化方案，选取4个驱动器，取其中2个驱动器中的行星架进行扩孔并配备相应数量φ6的轴，组合安装后便有2个原有结构的驱动器和2个优化后的驱动器，然后按照负载15 N·m、正转2 s、堵转0.5 s、反转2 s、堵转0.5 s的顺序分别在不同的温度、湿度条件下运行不同的次数，总体保证15万个循环，此外还要保证低温测试后休息10 s，高温测试后休息25 s。部分实验设置如图8所示。

实验结束后新旧两个行星架及行星轮皆运行良好，无任何损伤，如图9所示。

图8 疲劳实验方案

图9 疲劳过后原方案及优化方案的行星架对比

通过实验可知，新旧两种方案的驱动器在完成15万个循环后，都依旧运行良好。结果充分说明优化后的方案完全能够替代旧的方案。此外，通过对新旧驱动器在相同环境、相同负载情形下的噪声对比，发现优化后的驱动器主观噪声感要好，这也说明了轴的变形量会影响齿轮之间的配合精度。

5 结 语

通过对现有行星支架的分析、优化和实验验证，充分证实新的优化方案确实能达到最初的目标，主要效果体现如下：1）减轻了行星架的质量，由原来的200 g降低至197.75 g；2）降低了行星架的成本，轴的成本降低了近一半；3）减少了装配轴的数量，降低了装配精度要求，提高了装配的效率；4）减少了轴的变形量，增加了轴的强度和刚度；5）理论上能提高齿轮的寿命，通过实验至少证明了满足客户的疲劳寿命要求；6）有利于改善齿轮的啮合状况，提高了驱动器的效率，间接改善了齿轮箱的噪声问题。