基于有限元应力分析下对差动减速器行星架设计优化

2020-05-12吴迅

中国设备工程 2020年9期

吴迅

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

行星架是行星齿轮传动装置中的主要构件之一，行星轮轴或轴承就装在行星架上。当行星架作为基本构件时，它是机构中承受外力矩最大的零件。行星架的结构设计和制造对各行星轮间的载荷分配以至传动装置的承载能力、噪声和振动等有很大影响。

行星架的合理结构应该是重量轻、刚性好、便于加工和装配。其常见结构形式有双壁整体式、双壁分开式和单壁式三种。双壁整体式和双壁分开式行星架的两个壁（或称侧板），通过中间的连接板（梁）连接在一起。由于双壁式整体行星架的刚性好，通过焊接方法可得到结构和尺寸接近成品的毛坯。

因此，目前大吨位卸船机的差动减速器行星架一般采用焊接方式获得，但在焊接差动减速器行星架过程中，行星架的前后两块侧板上的行星架销轴孔是先由镗床单独加工出来的，客观上，单块侧板的同心度会受机床精度的限制，两块侧板要连接在一起误差会更大。特别是一般现在设计的行星架两边的侧板与销轴公差配合均为H8/m7，是一种过度配合（存在过盈的概率），因此，在焊前的拼装过程中会出现销轴略偏斜的情况，从而最终无法完成拼装。为了改善加工状况，改进优化设计，需利用有限元原理及工具对行星架销轴与前后两侧板之间的公差配置进行分析，以寻求既方便加工又不影响使用的设计方案。

1 行星架有限元模型建立

以现有系列中承载能力最高、中心距最大的差动减速器的行星架为基础物理模型，并取目前所使用此差动减速器的项目中最大设计的参数，电机功率700kW，转速1000rpm 来计算载荷，进行行星架的有限元分析。

1.1 部件模型建立

将行星架三维模型导入有限元分析软件中，以回转中心添加基础轴，以各行星轮孔添加基准平面，并使用基准平面拆分几何元素。

1.2 定义材料属性

根据行星架各零件材料情况，定义材料属性如下：密度7.85x10-9t/mm3，杨氏模量2.1x105MPa，泊松比0.3。

1.3 定义截面属性

创建截面属性，将截面属性赋予给行星架部件。需注意：平面应力问题的截面属性类型是Solid（实心体），而不是Shell（壳）。

1.4 定义装配件

整个分析模型是一个装配体，前面生成的各个部件需要装配起来才能进行后续的分析。

2 行星架应力分析

2.1 按行星架连接销孔“零碰零”为物理模型进行应力研究

行星架连接销孔“零碰零”物理模型为行星架连接柱公差取到0 与孔公差取到0 时装配起来的情况，即孔、轴尺寸均为名义值时，并在全宽度尺寸下完全配合的状态。

2.1.1 按行星架实际运行情况，定义边界条件和载荷

输出轴花键处全固定，两轴承处铰接固定。对行星架上行星轮轴内孔加压力载荷（7.275MPa，通过项目参数计算所得）。应力最大值位置位于轴承处（见图1），不符合对孔与销轴进行研究的模型特征。

2.1.2 按全浮动行星架运行情况，定义边界条件和载荷

（1）输出端约束。输出轴花键处全固定，载荷大小及加载方式保持与2.1.1 不变。应力最大值位置位于靠近输出轴花键第一个轴径跳变处（见图1），也不符合对孔与销轴进行研究的模型特征。

（2）输入端约束。在输出轴花键反向的另一侧板内孔处进行全固定，载荷大小及加载方式保持与2.1.1不变。应力最大值位于输入端侧连接销轴处（见图1），符合对孔与销轴进行研究的模型特征。此时，最大应力值为75.28MPa。

2.2 修改行星架连接销孔配合公差进行应力变化趋势研究

通过2.1.1 至2.1.2 对模型不同边界条件的定义，得出符合行星架连接销孔配合公差研究的边界条件定义。利用上述2.1.2（2）模型的边界条件和载荷定义方式，将行星架物理模型进行修改，当行星架连接销孔公差配合发生变化时，对应力变化趋势进行研究。

2.2.1 修改物理模型为两端连接销孔间隙配合

两端销孔均修改为0.1mm 间隙量，即孔尺寸保持名义值的情况下，轴直径尺寸减小0.1mm，或轴尺寸保持名义值，孔直径尺寸增加0.1mm，此处，按轴尺寸减小的方式修改模型，留出间隙部分，长度为1/3 的板厚。

应力最大值位于输入端侧连接销轴处，最大应力值为123.6MPa。

2.2.2 修改物理模型为一端“零碰零”，一端间隙配合

（1）输出花键端侧销孔0.1mm 间隙量，间隙长度1/3 的板厚，输入端侧销孔“零碰零”。

应力最大值位于输出花键端侧连接销轴处（见图1），最大应力值为89.2MPa。

（2）输出花键端侧销孔“零碰零”，输入端侧销孔0.1mm 间隙量，间隙长度1/3 的板厚。

应力最大值位于输入端侧连接销轴处，最大应力值为100.1MPa。

2.2.3 修改物理模型为花键端过盈，另一端间隙配合

以2.2.2（2）模型为基础，修改花键端销孔为过盈配合，过盈量0.03mm。

应力最大值位于输入端侧连接销轴处，最大应力值为108.5MPa。

3 分析应用

结合行星架焊接加工特性，行星架连接销孔配合公差改变后，通过行星架应力分析，对以上分析结果整理如下（表1）。

表1 相同边界，不同销孔公差配合最大应力值及位置表

通过调整输入侧及输出侧的间隙或过盈量，应力分析模型模拟了行星架两侧板及销轴在现有过渡配合下会出现的焊前装配状态。从上数据表中可以看出，当输入侧及输出侧均为零间隙时，最大应力值最小；当输入侧和输出侧均有间隙时，最大应力值最大；当输入侧有间隙时，输出侧零间隙时，最大应力值小于输出侧有间隙或紧配合的情况，最大应力值随着间隙量或紧配合量变大而变大。另外，当输出侧间隙量大于输入侧时，最大应力位置会出现在输出侧。通过以上数据结论，最大应力值均小于行星架母材屈服强度，从理论上证明，通过改变行星架两侧板及销轴配合情况，即对行星架两侧板及销轴公差配合设计进行优化，从而改善行星架在焊前的拼装过程中会出现销轴略偏斜的情况，解决最终无法完成拼装的可行性。通过以上数据筛选，输入侧与输出侧配合均为间隙时，对加工和后续拼接，及对焊接成品均比较有利，而且销轴处的最大应力值也能满足设计要求，符合优化预期。