减速机单臂行星架的等边距轻量化研究

鹿飞 张珂 时维方 阮计连

摘要 行星减速机一般采用多级行星传动，但是由于受轴向尺寸的限制，也为了装配简单，一级和二级的行星架多采用单臂行星架结构;而单臂行星架存在刚性较差、质量大等缺点，利用有限元对行星减速机单臂行星架进行了分析，研究论证边距对三角形结构力学性能的影响，并提出一种等边距内圆弧的结构设计方法。

关键词 行星架  单臂   力学性能  等边距   轻量化

0引言

行星架是行星齿轮传动中承受外力矩最大的零部件，同时质量、尺寸也最大。传统设计中，行星架多是凭经验公式进行设计，设计参数较为保守，造成行星架的富裕量较大，随着设计、加工方法的不断完善，对其进行轻量化研究具有十分重要的意义。

1行星架结构设置的分析

1.1 建立行星架三维模型

本文中我们利用有限元软件，以某减速机的二级行星架为研究对象，材料为42CrMoA，对其应力场、变形场进行计算，寻求刚度大、质量轻的行星架结构设计方法。普通的圆形单臂行星架如图1所示：建模时对模型进行必要的简化，略去不影响计算的小孔、圆角和倒角等，有利于有限元的分析[1-2]。

在现有的结构和文献中[3-4]，已经将圆形结构改为三角形结构，并运用到实际生产中。在实际运用中发现，将圆形结构改成三角形结构后，销轴到三角形边的距离对行星架的力学性能影响较大，边距的定义如图1所示;如果选取不恰当会对行星传动带来很大的影响。

1.2 有限元网格划分

行星架采用四面体网格的划分方法，并对重点研究的销轴部位进行了网格细化。网格划分的大小由粗到细，直至计算出的结果量变化不超过5%，此时网格收敛，网格大小划分合理。

1.3 边界条件的施加

在行星架工作过程中，行星轮轴主要受到行星轮传递的切向力作用，行星轮同时和太阳轮以及内齿圈相啮合，故行星架销轴受到力为二者之和[5-6]。在有限元中模拟轴承内圈对销轴的作用力，将载荷施加在行星架的销轴上，对每个行星轮轴施加一个沿圆周方向的均匀面力。

2.边距对行星架力学性能的影响分析

本文采用控制变量法进行研究，只改变边距的大小，其他参数值不变;销轴的直径一般会和行星架的受载以及板厚等因素有关，为使得研究具有一定的通用性，将边距的大小和销轴的直径联系在一起，具有全面性和普遍性，满足研究需求，本文分别取边距为0.25D与0.5D、0.75D的三角行星架作为研究对象，其中D为销轴的直径。

2.1运用有限元分析计算

根据上面叙述的有限元计算方法分析比较行星架结构的力学性能，通过分析结果可以看出随着边距的不断增大，行星架的结构性能有很大的改善，在达到0.75D的边距后，行星架的总变形已经接近与圆形结构，应力方面的性能较圆形结构有所提升，综上所述：选用三角形结构时需要注意边距的选择，确保同时满足结构力学性能和轻量化的需求。

3 等边距圆弧行星架结构分析

本文采用一种新型圆弧等边距的行星架设计方案，即三角形的边采用内圆弧形状，既保证边距满足要求，又可以节约材料。而且采用圆弧的结构方式，保存了原来圆形结构的优点，有利于提升行星架的力学性能。建立边距为0.5D的圆弧行星架结构，利用相同的有限元分析方法进行计算，得到的计算结果如图3 所示：

最大变形量0.1022（mm） 最大应力282.48（MPa）

根據计算结果，从质量、应力和最大变形三个方面对比两种结构的行星架结构性能，通过有限元分析可得，根部应力下降了4.76%;最大变形量下降了0.97%，同时质量下降了11.25%，既提高了行星架的力学性能，又到达了明显的轻量化效果。

4 结论

将行星架的结构设计为等边距的圆弧行星架，圆弧结构具有受力均匀、应力小的特点，力学性能较三角形的行星架有所改观，同时达到了轻量化的的要求。本文中行星轮个数为3个，外形是三角形的，如果是4个行星轮，则外形可以是正方形的，以此类推达到轻量化的效果。

参考文献

[1] 陈器，刘珍来，周勇. 盾构机行星减速器行星架仿真分析及优化[J]. 矿山机械，2010，38 （ 12） ： 27 - 30.

[2] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3] 王征兵 行星齿轮传动行星架的轻量化设计技术研究  [J].机械传动，2014

[4] 袁齐，王勇. 行星齿轮传动单侧板转臂的有限元分析[J].机械传动，2010，20 （ 3） ：

[5]  项生田，李剑敏。轮边减速器行星架结构强度和疲劳寿命分析 [M].汽车工程2011

[6]  张锁怀，梁治国. 内齿行星齿轮传动受力分析. [J].机械传动，1994.18（004）