NW型轮边减速器关键零部件的承载能力分析

2021-04-20王海霞李铁峰

无线互联科技 2021年4期

王海霞，信稳，李铁峰

（1.洛阳理工学院，河南洛阳 471023；2.常熟理工学院，江苏常熟 215500；3.洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司，河南洛阳 471039）

0 引言

轮边减速器作为电动汽车的核心驱动部件，安装在轮毂中，为汽车行驶提供驱动力。轮边减速器与电机集成后可组成独立驱动单元（以下简称“电动轮”），不但能实现车辆的四轮独立驱动，提高车辆的通过性和对恶劣路面的适应性，同时由于取消了内燃机及机械传动系统等，使整车结构更加简洁，布局更加合理。而轮边减速器在矿用汽车上的应用对提高整车动力学、减少环境污染和降低成本具有重要意义。

目前国内外已相继开发出一系列轮边减速器，应用于大型矿用自卸车及工程车辆中，其中以NW型[1]和2K-H型行星减速器[2]为主。关于大型工程车辆轮边减速器的研究从动态均载[2]、双联齿轮的错位量[3]、系统动力学分析和可靠性分析[6]等方面陆续展开。

本文设计了一款输出扭矩为222 405 Nm的NW型轮边减速器，通过MASTA软件初步设计其结构参数并校核减速器各齿轮的强度和受力，然后进行三维有限元分析转架、内齿圈-轮毂等关键零部件的强度，为进一步的结构优化提供设计依据。

1 NW型轮边减速器结构设计

1.1 轮边减速器结构原理设计

NW型轮边减速器采用两级齿轮传动，其传动原理为：电动机输出轴通过花键套筒带动中心太阳轮旋转，太阳轮与三个大行星轮啮合，将行星轮的转速传给同轴的小行星轮，三个小行星轮同时与内齿圈啮合，将动力输出给汽车轮毂。该NW减速器的结构特点为：电机、大行星轮、小行星齿轮轴均用轴承支承在转架上，组成定轴传动；中心太阳轮轴采用中空细长轴且悬伸较长，当太阳轮同时与三个大行星轮啮合时，由太阳轮浮动实现径向方向的均载；大行星齿轮副内孔和小行星齿轮轴过盈连接形成双联齿轮，在小行星齿轮轴两端安装滚动轴承进行支承；三个小行星轮同时与内齿圈啮合，内齿圈轴线与中心太阳轮轴线同轴。该轮边减速器具有结构紧凑、传动比大、均载性能好等优点。

1.2 轮边减速器参数设计

齿轮材料为17CrNiMo6，弯曲强度为530 MPa，接触强度为1 650 MPa，外齿轮精度6级，内齿圈精度为7级；轴的材料为42CrMo。输入转速404 rpm，输出扭矩 222 405 Nm，功率为326.7 KW，传动比为28.8。

采用MASTA软件进行轮边减速器齿轮副参数设计计算并进行强度校核。图1为中心太阳轮和大行星轮组成的高速级齿轮副，而低速齿轮副由小行星轮和内齿圈组成，如图2所示。高速级齿轮副和低速级齿轮副的设计参数如表1所示。

表1 齿轮副参数设计

图1 高速级齿轮副

图2 低速级齿轮副

1.3 轮边减速器的三维模型

根据设计参数在三维软件中建立NW型轮边减速器的模型，如图3所示。

图3 轮边减速器的三维模型

2 关键零部件的有限元强度分析

2.1 转架有限元强度分析

转架作为行星齿轮支承构件，结构复杂，承受力矩大，其结构强度和变形对行星轮的均载具有重要的影响。因此建立行星架三维模型，取其最大载荷工况为计算工况，利用Ansys软件对其结构强度进行有限元分析，研究转架的应力分布及变形情况。根据齿轮啮合原理，行星轮与内齿圈的法向力及行星轮与太阳轮的法向力均相切于行星轮基圆，根据轮边减速器最大载荷工况，计算行星轮支撑轴载荷，如表2所示。根据受力计算出轴承径向载荷，各轴承径向载荷如表3所示。该NW型轮边减速器为定轴传动，故将载荷分别沿圆周方向施加在小行星齿轮轴上，轴承支承处按圆周120°施加载荷，同时在转架法兰处施加全约束。