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基于工况的混合动力行星轮系接触疲劳分析与优化

梁晓峰  
【摘要】:行星轮系作为一种新型混合动力汽车传动系统的关键部件,因其传动效率高、传动比范围广和承载能力强等优势,成为近年来新能源汽车领域的研究热点之一。混合动力行星轮系可实现改变转速、转矩与驱动方向等作用,能够满足车辆不同循环工况的需求,但由于齿轮内部非线性激励丰富,齿轮副间承受载荷较为复杂,使其容易发生齿轮接触疲劳破坏,影响齿轮传动性能,导致车辆安全性能大大降低。为了提升混合动力汽车的可靠性,与保证驾乘人员的人身安全,有必要基于实际循环工况研究分析混合动力行星轮系的接触疲劳情况,主要包括以下方面:首先,根据行星轮系载荷分布特征,确定了混合动力行星轮系接触疲劳载荷谱编制方案;基于典型循环工况进行特征值统计与分析,制定了混合行星轮系工作模式切换决策,并结合车辆行驶过程中纵向受力分析,建立了混合动力行星轮系的工况模型,通过仿真分析得出需求扭矩、转速与时间历程的关系,结合有限元仿真分析与试验分析的需求,编制了接近实际循环工况的接触疲劳载荷谱,为后续接触疲劳分析提供了理论基础。其次,分析了行星轮系结构特点,并建立了行星轮系齿轮传动模型,利用有限元方法对行星轮系进行齿面接触应力分析,确定了齿面危险故障部位,并仿真预测分析了接触疲劳寿命值,同时通过名义应力法与线性疲劳累积损伤理论计算得到行星轮系接触疲劳寿命值,与仿真结果分析对比,验证了仿真分析在随机载荷下预测行星轮系接触疲劳寿命的可行性。再次,搭建了混合动力行星轮系接触疲劳可靠性试验台架,按照操作流程运行试验,分析与总结了试验结果中行星轮系齿轮损坏情况,与行星轮系接触疲劳寿命有限元仿真分析结果对比,验证了行星轮系动力学模型的可靠性,为下文齿形优化提供了重要依据。最后,结合行星轮系接触疲劳有限元仿真与试验分析结果的一致性,针对存在齿面受载分布不均、边缘应力集中等问题,提出了齿形优化方法的必要性,同时介绍了齿廓与齿向修形的理论与方法,基于微观修形软件对行星轮系进行齿向修形,并将齿形优化前后的结果对比,改善了行星轮系齿面接触应力分布不均衡,提高了行星轮系的承载能力,避免了应力集中,有利于延长使用寿命,证明了齿形优化方法的有效性。


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