巴哈越野赛车减速器齿轮的优化

吴亚楠 杨瑞 王有源（南京农业大学 工学院，江苏 南京210031）

摘要: 本文采用虚拟样机技术对巴哈越野赛车传动系统的减速器齿轮进行设计优化，通过对齿轮进行结构优化来达到减速器轻量化的目标，我们将设计出的减速器利用UG进行三维建模,并用ADMAS验证传动比确保模型啮合的准确性，最后用ANSYS对减速箱齿轮对进行模态分析和力学性能的检验,最终得到了一款结构简单,体积轻便的减速器。

关键词：轻量化；虚拟样机；设计优化；性能检验

一、研究目的

    中国大学生巴哈比赛是由中国汽车工程学会官方举办的重要赛事，比赛要求是大学生自主设计制造一辆发动机中置的小型越野赛。因为赛车发动机由赛事方统一提供，因此传动系统性能的优劣对赛车性能至关重要^[1]。我们有幸代表学校参加了第三届baja比赛，在比赛中获得了丰富的实战经验。针对我们赛车的传动系统，主要问题出现在减速箱的轻量化上，相比于其他有经验的车队，我们车队的减速箱体积质量明显偏大，故本文将针对减速箱齿轮进行减重优化。

二、研究内容

本文主要针对某款减速器齿轮进行尺寸结构优化，利用UG创建齿轮模型并用ADMAS验证模型的正确性。最后将其导入ANSYS Workbench进行齿轮接触分析。本文通过分析稳态和瞬态下齿轮的接触受力情况，在不影响减速器工作可靠性的前提下，对原有减速器齿轮进行结构优化^[2]。

三、研究方法

首先将齿轮内部进行挖空处理，减少体积质量，通过UG对所优化减速器齿轮进行三维建模，并且通过虚拟样机Adams软件验证一二级传动比的正确性，确保齿轮模型啮合无误，保证下一步力学分析结果的准确性；然后对进行齿轮模态分析，确保齿轮在工作时的振动频率远离其自身的模态频率。最后利用有限元软件ANSYS对齿轮进行稳态和瞬态分析，目的是在稳载和冲击载荷下，检验减速箱齿轮的强度刚度是否满足要求。

四、研究结果

4.1三维软件建模及优化

图1齿轮三维建模

4.2减速箱轻量化

对齿轮结构进行轻量化处理，将齿轮的腹板变薄，将原来挖空的地方进一步合理的挖空，最后发现原模型体积为783233.4868mm,后为703732.6790mm,体积减少，质量减轻了^[3]。

图2减重前齿轮体积                     图3减重后齿轮体积

4.3 Adams验证模型传动比

假设在某时刻一级主动齿轮角速度约为31000，一级从动齿轮和二级主动齿轮角速度约为9000，二级从动齿轮角速度约为2000，一级传动比为3.4，二级传动比为4.5，与理论计算的结果相符合，模型啮合正确。

图4传动比验证

4.4模态分析

齿轮振动是所有齿轮在运转过程中普遍存在的现象，振动的产生一般与齿轮其本身结构有关也与它的材料有关，在考虑齿轮的设计研发时，要把齿轮的模态分析考虑进去，要确保齿轮在工作时的振动频率远离其自身的模态频率，不然容易引起共振。这里我们利用ANSYS里面的Modal模块对第一级传动的从动齿轮进行模态分析，通过添加合适的约束，求解得到六阶振型图，这里我选择了第五阶和第六阶振型图进行简单分析^[4]。

图5五阶振型图                      图6六阶振型图

从第五阶和第六阶振型图可以看出，齿轮的薄弱环节在齿根处和轮齿接触面处，进而对齿轮进行针对性的优化，比如对其接触表面进行高频淬火，碳氮共渗，喷丸等等^[5]。减速器的工作环境应该因该远离其前六阶的固有频率。

4.5动力学性能检验

减速器各轴的参数如下：

1、稳态接触分析

接触设置：选择齿轮的所有接触对，选取目标面target选择主动轮的齿面，接触面contact选择从动齿轮的啮合齿面，接触关系设置为摩擦，摩擦系数取0.1，算法选择拉格朗日算法。网格化分：单元格选择选择2mm，其余保持默认。约束设置：主从动齿轮分别添加旋转副，选择与地面产生相对转动，旋转中心点击齿轮端面即可自动捕捉，设置完后添加驱动，因为稳态分析中是无法进行转速添加的，所以这里主从齿轮添加转角和转矩设置。载荷步设置：添加三个载荷步，三个载荷步初始步均为10，最小步为10，最大步为20，时间默认为1s；转角设置分别为30度，60度和90度。这样的设置主要是要让齿轮啮合运动时有个过渡，利于计算收敛，打开大变形开关，其余保持默认，求解。

2、瞬态接触分析

瞬态分析的前面步骤与稳态分析基本一致，这里不多加赘述，主要区别于稳态分析的是载荷步的设置，这里载荷步设置如下：考虑到接触分析比较复杂，我这里设置三个载荷步，目的是为了能让计算收敛，第一个载荷步初始步时间设置为0.0025s，最小步长时间为0.0025s，最大步长时间为0.01s；第二和第三个载荷步初始步时间设置为0.005s，最小步长时间为0.005s，最大步长时间为0.02s；在第一个载荷步，我们添加转速为0.01rad/s，这是一个过渡设置，是为了计算的收敛，因为开始啮合运动时，小的载荷步有利于计算的收敛^[6]；第二第三个载荷步添加我们计算得到的转速。打开大变形开关，进行求解。

图7一级稳态总变形云图

图8二级稳态总变形云图

图9一级瞬态分析应力云图

图10二级瞬态分析应力云图

因为稳态分析目的在于检验在稳定载荷下减速器的工作情况，这里主要考虑它的总的位移形变情况，由图7图8可以发现，在稳定载荷下，轮齿的总变形均处于合理范围内。瞬态分析主要分析冲击载荷对齿轮轮齿带来的不良影响，图9和图10分别是一二级传动齿轮瞬态工况下的地应力分布云图，发现他们最大应力出现在轮齿接触的部位，其值分别为224.13Mpa,185.96Mpa均在齿轮材料的许用应力范围之内，所以优化方案可行。

五、结语

巴哈越野赛车传动系统的减速箱齿轮的体积质量直接影响到赛车的整车质量，加速性能以及最高车速。本文通过合理的轻量化处理，将设计出的减速器齿轮进行结构的优化，通过UG建立了精准的减速器模型,利用ANSYS对减速器齿轮对进行力学性能的检验，比较优化前后的减速器,最终得到了结构更加简单,轻便的减速器。通过CAE仿真软件，巧妙的将理论与实践联系到一块，缩短了减速器的设计周期，极大地提高了解决问题的效率。

 参考文献

[1]中国工程汽车学会.中国汽车工程学会巴哈大赛规则[Z].2017.

[2]姚娟.基于虚拟样机技术的减速器动力学仿真研究.武汉理工大学,2008.05.18.

[3]黄崇文,郑松林,冯金芝,沈健.轮边电驱动减速系统齿轮腹板的轻量化设计[J].农业装备与车辆工程,2017.4.10.

[4]郑群川.基于ANSYS的齿轮减速箱的仿真技术研究[D].西安电子科技大学,2011.5.6.

[5]SHIDA S.Transforming the Transmission Industry. 10th International CTI Symposium and Exhibition .2011.

[6]Pinnington R J.Vibration power transmission of an idealized gearbox. Journal of Sound and Vibration .1989.