（机械设计及理论专业论文）重型电动轮自卸车轮缘减速器内齿圈断裂分析.pdf

at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri nm e c h a n i c a l d e s i g na n dt h e o r y a n a l y s i so nf r a c t u r eo ff l a n g er e d u c e r ，s a n n u l a rg e a ro fh e a v y d u 坶e l e c t r i c a lw h e e l d u m p t r u c k b yt o n gh a i l o n g s u p e i s o r ： p r o f e s s o rg o n gy u n p e n g n o n h e a s t e mu n i v e r s 埘 j u n e2 0 0 8 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年 学位论文作者签名：1 秀镭商 签字日期： ，乒 导师签名： 签字日期： 他么鸭 肋铲7 笋 一 j ， 0 11 东北大学硕士学位论文摘要 重型电动轮自卸车轮缘减速器内齿圈断裂分析 摘要 重型电动轮自卸车以其效率高、运量大、经济性好而成为年开采量千万吨级以上露 天矿山、大型水利建设工程的理想运输工具。尽管我国已经能生产重型电动轮自卸车， 但其轮缘减速器部件完全依靠国外公司提供。本课题针对进口重型电动轮自卸车轮缘减 速器内齿圈在使用过程中齿圈断裂这一问题，利用高性能软件a n s y s 对其内齿圈进行 有限元分析。 基于轮缘减速器特殊的结构，对其内定轴轮系进行了重点介绍，并对主要啮合齿轮 进行承载能力计算。 使用三维造型软件p r 0 e 中程序( p r o 掣锄) 建立了精确的参数化渐开线圆柱齿轮模 型，只需通过修改相关参数即可得到符合要求的模型，实现了模型建立的参数化。并利 用p r o e 二次开发工具p r o t o o l l ( i t 与c + + 的无缝连接，在p r o e 操作界面上开发出装配 模型参数化程序、装配件数据库程序，便于不同型号的定轴轮系的自动生成和管理。 重点进行了三个定轴轮与内齿圈同时啮合( 三个接触对) 时的有限元分析，比较轮 系均载系数、三个定轴轮相对位置变化、内齿圈浮动偏移这三种情况对齿轮啮合应力的 影响，综合分析得出内齿圈与内花键套筒的径向间隙较大导致的内齿圈浮动偏移，是影 响内齿圈齿根应力增加的敏感因素。由于轮缘减速器特殊的结构，内齿圈的径向安装尺 寸受到了限制，所以进行了不同齿宽的内齿圈有限元分析，提出当齿宽等于2 30 i 】 1 l i l 、 轮缘厚度等于5 4 n l i i l 时，轮缘强度满足条件要求。 关键词：轮缘减速器，内齿圈，参数化设计，有限元分析 - i i - ， p，i，d b e e i la i l a l y z e do nf i n i t ee l e m e n ta 1 1 a l y s i s 谳c hm a k e su s eo fm el l i 曲一p o w e f e ds o r w a r e a n s y s ，a i m sa tt l l ep r o b l e mo f 舳c t u r eo fa i l ：n u l a rg e a r b a s e do ns p e c i f i cs 咖c 时eo ff l 觚g er e d e r ，锄l p h 戚s0 ni t s 硫嘶o rf i x e da ) 【i sg e a r t r a i n ，a l l dc 枷e do u tl o a dc a p a c i t yc a l c i l l a t eo nm a i nm e s h i n gg e a r s b yu s i n gg r o g r a mo fp r 吖es o 胁a r e ，a n a c c l l r a t ep 猢嘶cm o d e lo fh 1 v o l u t e c y l i r l d l j c a lg e a r si sm o d e l e d t h em o d dc a i lb ee a u s i l yc h a i l g e di i lt 锄so fg e 盯r e l a t e d g e o m e t r i cp 麟l i l l e t e r s u t i l i z ep r o es e c o n d a r yd e v e l o p m 饥tt o o lp r o t o o l k i ta i l dc + + p 耐e c t l i i l k ，a s s e m b l ym o d e lp a r 姗e t r i cp r 0 咎锄a l l da s s 即1 b l yd a t a b a s ep r o g r 舭la r ed e v e l o p e d ，i 董l m i sw a y ，c o n v e n i e n c et om o d e la u t o m a t i c a l l ya n dm 锄a g ev a r i o u st ) ，p eo f 矗x e da x i 8g e a r 住a i n e 】碘a s i so nf | n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f 也r e ef i x e da x i sg e a r sa n d 黜u l a rg e a rm e s h m g s i m u l t a l l e i t y ，c o m p 撕s o nl o a ds h 撕n gc o e 伍c i e n to fw h e e l 仃a i n 、m r e ef i x e da x i sg e a r s r e l a t i v e p o s i t i o nc h a n g c 、n o a t i n go 凰e t o fa 1 1 ：n u l a r g e a r a 虢c to n g e a rm e s h j n g s t r e s s h l t e 黟a t e da n a l y z e dt l l a tt h el 嬲tc a s ei sr e a s o no f 黜u l a rg e a rt o o t l ls t l e s si n c r e 弱e s e n s i t i v ef a c t o r b e c a u s en a n g er e d u c e r ss p e c i a l s t r u c t l l r e ，m er a d i a li n s t a l l a t i o ns i z eo f a n n _ u l a rg e a ri s1 i m i t e d ，c 舭yo u tf i n i t ee l e m e n ta i l a l y s i so fd i f r e 】嘲tt o o t hw i d 廿：lo f 黜u l a r g e a f ，p u tf o 册捌w h 明b r e a d mo ft o o t l le q u a lt 02 3 0 i i l m 孤df l a l l g e m i c k n e s se q u a lt o 5 4 m m ，n a i l g ei n t e i l s i t ys a t i s 矽r e q u i r c l n 觚t i i i 东北大学硕士学位论文 k e y w o r d ：n a n g er e d u c e r ，a l l i m l a rg e a r ，p 撇嘶cd e s i g n ，f i n i t ee l e m e n t 肌a _ i y s i s - ， i 1 1 1 研究背景、意义l 1 1 2 课题来源2 1 2 国内外重型矿用电动轮自卸车发展简介2 1 2 1 国外企业生产情况2 1 2 2 国内企业生产情况3 1 3 重型矿用电动轮自卸车的各部分结构功能4 1 3 1 发动机4 1 3 2 前桥结构及悬架系统5 1 3 3 液压系统5 1 3 4 制动系统。6 1 3 5 电传动系统6 1 3 6 轮胎6 1 3 7 驱动型式6 1 3 8 轮缘减速器7 1 4 主要工作内容7 第2 章轮缘减速器结构与承载能力分析9 2 1 轮缘减速器整体结构9 2 1 1 轮缘减速器内部结构介绍9 2 1 2m t 4 4 0 0 轮缘减速器的p r 0 e 建模9 2 1 3 定轴轮系介绍1 0 2 1 4 定轴轮系各齿轮的相关参数1 l 2 2m t 4 4 0 0 重型电动轮自卸车的一些参数1 2 v 东北大学硕士学位论文目录 2 3 齿轮应力计算与强度校核1 2 2 4 本章小结1 2 第3 章p r o e 参数化建模及装配件程序开发1 4 3 1p r o e 二次开发工具1 4 3 2 渐开线圆柱齿轮参数化建模1 4 3 2 1 设置参数和关系式l5 3 2 2 设置可输入参数1 5 3 2 3 设置数学关系式1 6 3 2 4 构造齿廓1 6 3 2 5 生成轮齿1 7 3 2 6 阵列建立其它轮齿1 8 3 2 7 建立齿轮的结构特征1 9 3 2 8 齿轮参数化的实现1 9 3 3 其他齿轮和齿轮轴的生成2 0 3 4 装配模型参数化程序及装配件数据库程序的开发j 2 1 3 4 1 装配模型参数化程序开发2 l 3 4 2 装配件数据库程序的开发。2 3 3 4 3 程序功能简介2 5 3 5 本章小结2 6 第4 章渐开线圆柱齿轮接触有限元分析2 7 4 1 接触问题概述及接触分析的目的2 7 4 1 1 接触问题概述2 7 4 1 2 本文进行接触分析的目的。2 9 4 2a n s y s 接触分析模块简介2 9 4 2 1 接触分析类型2 9 4 2 2 接触方式2 9 4 3z l 与z 2 接触有限元分析3 0 4 3 1 定义单元属性3 0 4 3 2 网格控制定义和网格生成3 l 4 3 3 接触对的建立3 2 4 3 4 施加载荷、边界条件3 5 v i 5 2 均载系数对齿圈应力的影响4 7 5 3 定轴轮相对位置变化对齿圈应力的影响4 9 5 4 内齿圈浮动偏移对齿圈应力的影响5 0 5 4 1 内齿圈浮动偏移量的确定5 0 5 4 1 内齿圈有限元分析5 3 5 5 齿圈浮动偏移对齿圈应力影响5 5 5 6 不同齿宽的内齿圈有限元分析。5 6 5 7 本章小结5 8 第6 章结论与展望5 9 参考文献6 1 致谢6 3 v i i 争， 叠 通过建立专门的实验场来获取实验数据，通过实验分析验证。而国内制造厂则是主要通 过模仿设计或通过转让技术进行生产，无自主创新能力和手段，主要靠矿山工业试验运 行来检验设计，成本高，时间长，风险大。2 0 世纪八十年代以来，随着计算机技术的迅 速发展，国外将计算机技术引入矿用特种工程车辆技术领域，取得了巨大的成功并得到 了广泛的应用【l 】。而国内制造厂直到2 0 世纪9 0 年代，才有湘潭电机股份有限公司率先 和国内大专院校合作，在车辆设计方面引入计算机应用技术，虽然起步晚，但收到了显 著效果。目前国内矿用特种工程车辆制造厂主要采用计算机进行大型结构件( 例如车架) 的有限元静力计算，车辆关键部件的结构动力分析计算和运动分析尚处于起步阶段【2 l 。 m t 4 4 0 0 、m t 5 5 0 0 重型矿用电动轮自卸车由内蒙古北方重型汽车股份有限公司( 简 称北方股份) 与美国特雷克斯( t e r e x ) 集团旗下的尤尼特瑞格( u i l i t 砒曲公司共同组建 的合资公司北方采矿机械有限公司生产，是千万吨级特大型露天矿的重要运输设 备。对于矿用自卸车，在不同矿山使用工况的不同( 如环境工作温度、海拔高度、装载 物料种类、物料松散比、铲装设备等) ，用户在订货时会提出一些特殊的要求，因此矿 用电动轮自卸车应满足使用要求的多样性。 重型矿用电动轮自卸车的运行环境复杂，工作条件恶劣，车辆承载量大，外形尺寸 宽，而且随着露天矿开采规模扩大，开采深度的增加，多数自卸车经常是满载连续上坡， 而下坡时又需要连续制动，柴油机和传动系统满负载运行时间长( 大于4 0 ) ，因此自卸 车的使用可靠性要求很高。 这些特点决定了矿用自卸车结构的特殊性，也增加了矿用自卸车设计难度，同时对 】 东北大学硕士学位论文 第l 章绪论 矿用自卸车轮缘减速器的承载能力评价变得比较困难，若不是在众多不同的工况下进行 综合试验评价，就很难获得正确的评价结论。 1 1 2 课题来源 本课题是针对由尤尼特瑞格m i t 一砒g ) 生产的重型矿用电动轮自卸车( m - 抖o o ) 轮缘 减速器的一个内齿圈工作一段时间后轮缘断裂而提出。内蒙古北方重型汽车股份有限公 司生产的m t 4 4 0 0 、m t 5 5 0 0 重型矿用电动轮自卸车其驱动轮轮缘减速器是直接从尤尼 特瑞格( 硼t 砒曲采购，在国内装配上使用，目前国内还没有能力生产这样的重型电动 轮轮缘减速器。因此，不论是从轮缘减速器的国产化还是解决实际应用中的潜在问题上， 本论文都有实际的研究意义。 1 2 国内外重型矿用电动轮自卸车发展简介 1 2 1 国外企业生产情况 自1 9 6 3 年由美国u i l i t 砒g 公司和g e 公司合作研制出世界上第一台装载质量为7 7 t 矿用电动轮自卸车以来，经过4 0 多年的不断完善和大量新技术、新材料、新工艺的采 用，重型矿用电动轮自卸车作为汽车中的一类已发展成熟，形成了以美国的特雷克斯 尤尼瑞格( t e r e x u n j t 鼬曲、卡特彼勒( c a t e r p i l l a r ) ，德国的力勃海尔( l i e b h e i 汛) ， 日本的小松( k o m a t s u ) 、日立尤克力德( h i t a c h i e u c l i d ) 公司等为代表的矿用 电动轮自卸车生产企业，其装载质量已从第一台车的7 7 t 上升到目前最大的3 6 3 t ，并具 有1 2 0 t 、1 7 0 t 、1 9 0 t 、2 2 0 t 、2 6 0 t 、3 2 0 t 等多个系列，在年开采量千万吨以上大型露天 矿山的运输设备中，矿用电动轮自卸车已占有了全世界2 3 的市场，承担着世界上4 0 的煤、9 0 的铁矿的开采运输量【2 】。 目前世界上生产重型矿用电动轮自卸车( 包括机械传动自卸车) 的国家有：美国、德 国、日本、自俄罗斯和法国等国。主要生产厂家有：特雷克斯尤尼瑞格、卡特彼勒、 小松德莱赛矿用设备公司、利勃海尔公司、日立尤克力德公司、自俄罗斯的别拉斯等。 国外厂家生产的共同特点是： ( 1 ) 全系列：从最小的2 0 吨到最大的3 6 0 吨全系列生产。 ( 2 ) 专业化：主要部件以及关键部件采用专业厂生产的产品。如发动机选用康明 斯( c u m m j n s ) 、底特律( d e 昀i t ) 、m 1 r 【7 等柴油机厂生产的产品，电传动系统选用g e 、 东洋公司产品，变矩器选用阿里森产品，制动器选用洛克威尔产品等。 2 - 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 ( 3 ) 完整的配套体系：专业厂为了满足主机厂配套的需要进行产品的全系列开发 设计，而且还可以根据主机厂的要求进行o e m 生产配套和备件供应，专业厂和主机厂 之间形成了一个完整的生产供应体系。 1 2 2 国内企业生产情况 我国矿用汽车行业的起源于2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初，天津试制出载重1 5 吨 ( t j 3 6 0 型) ，北京试制出载重2 0 吨( 8 j 3 7 0 型) ，重庆试制出载重2 8 吨( ( c q 3 7 0 型) ，上海 试制出载重3 2 吨( 5 h 3 8 0 型) 和长春试制出载重6 0 吨( c a 3 9 0 型) 等多种矿用自卸汽车。 但由于各种原因，只有1 5 吨、2 0 吨和3 2 吨三种矿用自卸汽车曾进入批量生产。这时期 应为我国矿用汽车研制的第一次高潮。 到7 0 年代中期，本溪重型汽车制造厂开始研制载重6 8 吨自卸车和1 0 8 吨电动轮自 卸车，湘潭电机厂也开始研制1 0 8 吨电动轮自卸车，经鉴定以后投入批量生产。这时期 应为我国矿用汽车研制的第二次高潮。 进入8 0 年代，随着改革开放政策的实施，许多企业尝试着通过与国外企业合资、 技贸合作等多种方式，从国外引进先进的产品和技术，大大促进了我国矿用汽车技术的 发展，拉开了国内矿用汽车新一轮发展的序幕。 截至目前，我国批量生产矿用汽车的企业共有5 家，他们是：北方重型汽车股份有 限公司、北京首钢重型汽车制造厂、本溪北方机械重汽有限责任公司、湘潭电机股份有 限公司、内蒙古北方重型汽车股份有限公司。5 家矿用汽车生产企业主导产品如下： 北京重型汽车制造厂生产b j z 3 3 6 4 型2 0 吨、b j z 3 4 2 0 型2 5 吨、b j z 3 5 3 0 型3 2 吨 矿用自卸汽车及改装的矿用洒水专用车。与爱尔兰技术合作开发了z h a 2 5 0 d 型2 5 吨铰 接式工程自卸汽车。 北京首钢重型汽车制造厂生产s g a 3 5 5 0 型3 2 吨、s g a 3 7 2 2 型4 2 吨矿用自卸汽车 及改装的矿用洒水专用车。 本溪北方机械重汽有限责任公司生产b z q 3 1 4 7 0 型8 5 吨、b z q 3 9 5 型5 5 吨、 b z q 3 3 7 l 型x 2 2 吨矿用自卸汽车及改装的矿用洒水专用车。 湘潭电机股份有限公司生产s f 3 1 9 0 4 型1 0 8 吨电动轮矿用自卸汽车及改装的矿用洒 水专用车和1 5 4 吨电动轮矿用自卸汽车，已有1 7 0 多台车在矿山运行。 内蒙古北方重型汽车股份有限公司生产t e r e x 系列产品2 0 3 6 0 吨级矿用自卸汽 车。目前主要为3 3 0 3 型2 5 吨、3 3 0 5 型3 2 吨、3 3 0 7 型4 5 吨、3 3 1 0 0 b 型9 1 吨、4 4 0 0 型2 3 6 吨、5 5 0 0 型3 2 6 吨矿用自卸汽车及改装的矿用洒水专用车。另外还可根据市场需 3 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 求生产铰接式工程自卸汽车。 对比可得，国内厂家主要存在下面三个问题： ( 1 ) 产品系列过于单一，新产品开发周期偏长，不能满足市场的需求； ( 2 ) 产品关键部件大多外购，造成整体性能匹配不好，总体结构不优化； ( 3 ) 质量管理有待加强，工艺设备相对滞后，外购配套件质量难以满足整车性能 要求，致使整车质量不够稳定。 1 3 重型矿用电动轮自卸车的各部分结构功能 目前重型矿用电动轮自卸车的传动方式都是采用交一直流传动，由柴油发动机带动 发电机发出三相中频交流电，经外部整流装置整流变成直流电后输往汽车后桥两侧的直 流牵引电动机，以驱动汽车行驶。发电机由主发电机、励磁发电机、充电发电机三部分组 成，并与柴油发动机一起安装在动力总成底架上，构成一个相对独立的部件，便于安装和维 修【l 】。牵引电机采用直流牵引电机，它与轮缘减速器、后轮制动器、后桥壳等部件组合在 一起构成汽车的后桥，其整车结构如下图1 1 所示。 1 3 1 发动机 图1 1 重型电动轮自卸车整车结构图 f i g 1 1h 昀v 灿n y c l c c 仃i c a lw h 砌d n p 饥l c k sw h o l e 胁n 伽o r k 绝大数矿用电动轮自卸车采用康明斯( c u n m i n s ) 公司的k 系列柴油机或d d c 公司 的1 4 9 系列柴油机，也有少数装过m t u 公司3 9 6 系列柴油机和卡特彼勒( c a t e 印i l l 哪公司 的d 3 5 系列柴油机。 为了增加柴油发动机的输出功率，许多制造厂都采用了废气涡轮增压和中冷等方法， 各公司柴油机的大修保证期一般都在1 0 0 0 0 h 以上。除1 4 9 系列柴油机为二冲程外，其他 均为四冲程柴油机。 4 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 d d c 公司和c u m m i i l s 公司是美国两个著名的柴油发动机制造厂家，它们在大功率 车用柴油发动机领域的竞争非常激烈。1 4 9 系列柴油机历史最长，早期的矿用电动轮自 卸车都采用此种柴油发动机，k 系列柴油机投入市场后，由于油耗比较低( 2 1 8 4 删h ) ， 在8 0 年代占有6 0 的市场。现在d d c 公司研制出旁路( b y p 硒s ) 装置改善了进气系统， 降低了油耗，增强了与c 咖m i i l s 公司的竞争能力。 c a t e 印i l l a r 公司和m t u 公司的柴油机也在矿用电动轮自卸车上装用过。它们的特点 是耗油量很低，而且可靠性高，大修保证期在1 8 0 0 0 h 以上。但c a t 唧i l l a r 公司柴油机 的工作容积比同吨位自卸车所采用的柴油机大3 7 ，自重约多2 t 。m t u 公司柴油机 价格较贵，比同功率柴油机贵1 5 左右，因此在现有车型中缺乏竞争力，但它设计的柴 油机功率裕度较大，在矿用电动轮自卸车向更大吨位发展时将会显示其潜力。 1 3 2 前桥结构及悬架系统 矿用电动轮自卸车前桥结构可分为3 种：( 1 ) 整体式悬架；( 2 ) 纵向单摆臂断开式( 俗 称a 型架) 独立悬架；( 3 ) 烛式独立悬架。悬架型式主要有油气悬架、橡胶悬架和硅油悬 架3 种。整体式前桥以u i l i t 砒g 公司的m a r k 3 6 车型为主，整体式前桥通过车架两侧 的纵向双摆臂及右侧的横向单摆臂与车架相连，左右悬架只承受轴向力。e u c l i d 公司的 r 1 7 0 则采用纵向单摆臂断开式前桥，左右悬架可以独立运动，而且也只承受轴向力。 d r c s s e r 公司的6 3 0 e 和湘机厂的s f 3 1 x x 系列则采用烛式独立悬架系统，左右悬架可以 独立运动，但受力复杂，整个前桥的纵向行驶阻力、垂直载荷、横向侧偏力等都由左右 油气悬架承担。整体式和纵向单摆臂断开式前桥结构复杂，非簧载质量较大，整车重心 位置偏高，但悬架受力简单，使用寿命长。烛式独立悬架结构简单，车架龙门梁内空间较 大，发动机总成( 包括发电机、励磁机、通风机等) 位置可以降低和前移，使整车重心高 度下降，对提高汽车的操纵稳定性有利，但悬架系统受力复杂，而且由于主销内倾角的 作用，前轮距会随前油气悬架的上下运动而发生变化，从而引起左右轮胎的横向滑移， 加重了轮胎以及前油气悬架杆筒与缸筒之间的磨损，也影响到轮胎和前油气悬架的使用 寿命。 1 3 3 液压系统 矿用电动轮自卸车的液压系统有两种型式，常流式和常压式，液压油泵一般采用双 联叶片泵，转向系统均采用动力转向，举升系统采用倒置式双缸三级双向作用油缸，外 置于车架两侧。举升时转向油泵所产生的液压油也输入举升缸内，以缩短车厢举升时间。 - 气 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 1 3 4 制动系统 制动系统分为电制动和机械制动，电制动一般在车速5 h a h 以上工况下使用，并有 多级扩展制动。电制动主要起减速作用，特别是用于重载下坡时的车速控制，其原理是将 牵引电动机转换成发电机，将自卸车的动能转换成电能，通过制动电阻栅后转变成热能消 散在大气中。制动电阻栅的冷却方法有两种，即自然通风冷却和强迫通风冷却。强迫通 风冷却所用通风机的电机采用直流电机，其能源也来源于电制动所产生的电能，即把通 风机电机的输入端固接在制动电阻的插头上( 电机的另一端则接地) ，这样通风机的通风 量自动地随电制动功率的增大而增大，从而保证制动电阻栅不会因电制动功率过大而烧 坏。机械制动又分为工作制动、停车制动、紧急制动和制动锁定4 种，制动器形式主要 有气顶油鼓式和全液压盘式制动两种。全液压盘式制动器具有体积小、结构简单、制动 响应快、制动效能稳定等优点，缺点是制动盘热容量较小、制动效能低，在同尺寸下盘 式制动器所产生的制动力比鼓式制动器所产生的制动力小。 1 3 5 电传动系统 电传动系统是由主发电机、牵引电机和电气控制3 大部分组成。电传动系统要满足 恒功控制的要求，即在牵引工况下，要保证同步发电机的输出功率与柴油机的负载能力 相匹配。恒功控制是通过调节励磁来实现的，早期的励磁调节采用开环调节，从7 0 年 代开始大都采用闭环调节，闭环调节可以大大提高恒功调制的精度。另外，电传动系统 应能限制发电机的最大电流( 对应最大牵引力) 和最大电压( 对应最大车速) ，以保证直流 牵引电机不会因过压或过流而损坏。 1 3 6 轮胎 重型矿用电动轮自卸车所采用的轮胎都是无内胎充气轮胎，这种轮胎具有气密性 好、散热快、结构简单、使用寿命长等特点。无内胎充气轮胎按帘线结构可分为斜交轮 胎和子午线轮胎两种，子午线轮胎在轮胎的地面附着能力、滚动阻力、承载能力、使用 寿命等方面都优于斜交轮胎。轮胎的选用主要是根据轮胎所承受的载荷、轮胎运行的道 路条件、最高车速等因素来进行的。 1 3 7 驱动型式 “ 由于矿山道路条件和采场、排卸场作业空间的限制，矿用电动轮自卸车通常都采用 6 东北大学硕士学位论文 第l 章绪论 4 2 后轴驱动型式，以获得较好的机动性能，同时在汽车的其它性能如操纵稳定性、动 力性、最大爬坡度、最小转弯半径、最高车速、制动性能、燃油经济性、道路通过性等 方面也有不同于一般公路用汽车的要求和标准。针对矿用电动轮自卸车在不同矿山使用 工况，如环境工作温度、海拔高度、装载物料种类、物料松散比、铲装设备等，用户在订 货时会提出一些特殊的要求，因此矿用电动轮自卸车应具有多种规格以满足不同矿山的 需要。 1 3 8 轮缘减速器 轮缘减速器安装在后轮的轮毂内，在轮缘减速器壳体内部主要有一个直流电动机和 一定轴轮系组成，工作时电动机接收发电机传导过来的电流( 由柴油发动机带动发电机 发出三相中频交流电，经外部整流装置整流变成直流电) ，实现电动机启动，而电动机输 出轴通过齿轮联轴器与定轴轮系高速轴连接，再通过轮系各个传动件，从而实现机械传 动。可见轮缘减速器在重型电动轮自卸车上起到一个很关键的作用，它是控制与机械运 动实现的重要桥梁。 1 4 主要工作内容 ( 1 ) 载荷分析计算。重型电动轮自卸车轮缘减速器的结构复杂，利用现有的图纸， 对轮缘减速器的内部结构分析透彻，尤其要对减速器内整个定轴轮系分析透彻，便于载 荷分析计算。 ( 2 ) 轮缘减速器的建模、渐开线圆柱齿轮参数化建模、装配模型参数化程序和装 配件数据库程序开发。结合现有图纸( p d f 格式) ，利用a u t o c a d 生成轮缘减速器的平 面图及利用p r o e 生成三维图；利用p r o e 二次开发模块程序( p r o 掣锄) 生成参数化的 渐开线圆柱齿轮，这样，只要修改渐开线圆柱齿轮的参数，相应的齿轮模型就会自动生 成，避免了渐开线圆柱齿轮模型的重复建模；利用p r 0 e 二次开发工具p r 0 f t o o l k i t 与c + + 的无缝连接，在p r o e 操作界面上开发出装配模型参数化程序、装配件数据库程序，这 样，便于不同型号的轮缘减速器内定轴轮系模型的自动生成和管理。 ( 3 ) 渐开线圆柱齿轮在a n s y s 中的接触分析。包括接触分析中接触对的建立，载 荷、边界条件的施加，实常数的设置等。 ( 4 ) 对本文定轴轮系的均载机构、均载机理等进行了研究，由内齿圈与中心轮( z i ) 浮动计算得出轮系的均载系数。分别考虑轮系均载系数、三个定轴轮相对位置变化、内 齿圈浮动偏移这三种情况，对三个定轴轮与内齿圈同时啮合( 三个接触对) 时进行有限 _ 7 -_，- 东北大学硕士学位论文 第l 章绪论 元分析，分别得出轮系内齿轮啮合应力，综合分析导致内齿圈齿根应力增加的敏感因素， 接着针对这一影响因素提出解决措施。 - 8 东北大学硕士学位论文第2 章轮缘减速器结构与承载能力分析 第2 章轮缘减速器结构与承载能力分析 2 1 轮缘减速器整体结构 2 1 1 轮缘减速器内部结构介绍 利用现有的m 毋辑0 0 轮缘减速器图纸( p d f 格式) ，经过必要转化，在a u t oq 中把其平面图绘制出来，如图2 1 所示。综合分析轮缘减速器的整体图，易发现该减速 器内部结构主要是一个定轴轮系传动系统，该传动系统的高速轴与电机主轴通过齿轮联 轴器直接连接；低速轴为齿轮轴，与内齿圈啮合传动，再通过内齿圈外部的渐开线花键 与内花键套筒、轮毂等连接，从而实现机械传动。 876 5，13 21 图2 1 轮缘减速器内部结构简图 f i g 2 1f 1 a n g er c d u c e r si l l t e r i o rs t m c t u 陀s k e t c h 1 电机主轴2 轮缘减速器壳体3 圆锥滚子轴承4 齿轮殇5 内齿圈6 内花键套筒 7 阊柱滚子轴承8 齿轮z 29 齿轮z l 2 1 2m t 4 4 0 0 轮缘减速器的p r 啦建模 由图2 1 的a 蛐图纸，利用p i 蛐三维造型软件把图纸中的各个零件建模出来并装配 在一起，如图2 2 所示。 9 东北大学硕士学位论文第2 章轮缘减速器结构与承载能力分析 8765432l 图2 2 轮缘减速器整体外型 f i g 2 2n a n g e r e d u c e r sw h o l ee x t e r i o r 1 电机主轴2 轮缘减速器壳体3 圆锥滚子轴承4 齿轮z 3 5 内齿圈6 内花键套筒 7 圆柱滚子轴承8 齿轮z 29 齿轮z l 2 1 3 定轴轮系介绍 将轮缘减速器内定轴轮系单独绘制出来，其二维与三维如图2 3 、2 4 所示，结合这 些可以对整个轮缘减速器更好的了解。 ( 1 ) 定轴轮系二维简图 图2 3 定轴轮系简图 f 蟾2 3 ms k e t c h0 f 血c da 】【i s g e 村仃a i n ( 2 ) 定轴轮系三维效果图 1 0 、 表2 1 各个齿轮的基本参数 齿轮齿数模数m m 螺旋角( 。)变位系数压力角( 。)尺宽m m ( 2 ) 齿轮材料、热处理( m q 级) 及材料的力学性能如表2 2 所示 表2 2 齿轮材料及力学性能 内齿圈外齿轮 1 1 - 东北大学硕士学位论文第2 章轮缘减速器结构与承载能力分析 2 2m t 4 4 0 0 重型电动轮自卸车的一些参数 电动轮自卸车有2 个电动轮，输入转矩z = 7 7 0 0n m ； 牵引直流电动机的功率p = 1 0 0 8 k w ，最大转速v = 3 0 0 0r m i n ，电压v = 1 4 0 0 、，； 电动轮汽车的自重为1 6 9 l ，最大载重量为2 3 6 t ； 车体的尺寸：长宽高= 1 4 1 m 8 0 m 7 1 m ； 驱动方式为：两后轮驱动，轴距为：6 6 5m ，前轮距为7 0 4m ； 车的最大行驶速度：空载时6 4 k m h ，重载时4 0k m l l ； 轮毂直径d = 1 8 m ，轮胎直径d = 3 8 4 0 m ，轮胎的规格：5 0 8 0 r 5 7 ( 内径1 4 4 m ， 宽1 5 8 m ，高1 2 7 m ，所以轮胎的直径为3 9 8 m ) 。 2 3 齿轮应力计算与强度校核 本节根据渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法国家标准( g b t 3 4 旺1 9 9 7 ) 进行 计算【4 】。主要对定轴轮系内齿轮副z l 与z 2 、z 3 与内齿圈进行齿面接触应力与齿根弯曲 应力的理论计算和强度校核，并对其齿面接触疲劳强度许用值和齿根弯曲疲劳强度许用 值进行计算，将计算结果整理后如表2 3 所示。 表2 3 计算结果一览表 t 曲l e2 3t h es c h e d u l eo fc a l c l a t e dr e s u l t s 由表2 3 中可以看出，根据渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法国家标准 ( g 明3 4 p 1 9 9 7 ) 来计算，得出的各个齿轮齿面接触应力、齿根弯曲应力理论计算强 度符合要求。 2 4 本章小结 本章介绍了轮缘减速器的整体结构，对其内部定轴轮系进行了主要介绍。此外，根 1 2 1 3 东北大学硕士学位论文第3 章p r o e 参数化建模及装配件程序开发 第3 章p r o 屈参数化建模及装配件程序开发 3 1p r o e 二次开发工具 p r o e 为用户提供了丰富的二次开发工具。常用的有：零件族表( f a m i l yt a b l e ) 、程序 ( p r o g r a m ) 及开发工具包( p r o 厂r o o l k i t ) 、用户自定义特征( u d f ) 、j - l i n k 等。零件族表主 要针对重复性高、外形特征类似的零件，便于管理标准零件，节省文件存储空间。但零件 族表的方法只适合结构较简单且系列化的零件。对于结构和特征之间关系较复杂且特征 之间几何关系不确定的零件，可通过程序( p r o 舯m ) 进行创建，用程序设计的方法设计成 全尺寸驱动的零件，但对于较复杂件很难再生成功。开发工具包p m 佃b o l k i t 是p t c 公司 为p r o e 软件提供的二次开发工具，可利用c 、v c + + 等高级语言来扩充p r o e 系统的功能， 开发基于p r 咖系统的应用程序模块，使用户编写的应用程序能够安全地控制和访问 p r o e ，实现应用程序模块与p r o e 系统的无缝集成，还可以利用p 嘞，】r o o l k i t 提供的u i 对话 框、菜单以及v c 的可视化界面技术，设计出方便实用的人机交互界面，以提高系统的 使用效率。在进行三维产品设计时，还可利用设计参数来控制三维模型，实现产品设计参 数化。开发工具包p f 0 厂r o o l l 【i t 的功能是很强大的，不仅提供了开发p r o e 所需的函数库文 件和头文件，并实现应用程序模块与p m e 的无缝集成，能够适合更高层次的设计要求1 5 j 。 因此，本文选用程序0 ) r o 乎锄) 来进行轮缘减速器渐开线圆柱齿轮的参数化建模，用开发 工具包( p r o ，】晒o l l 【i t ) 进行装配件程序的二次开发。 3 2 渐开线圆柱齿轮参数化建模 借助p r q e 强大的三维造型功能、易于实现齿轮参数化驱动等优点，用p 内e 软件 中的程序( p r 0 鲈锄) 来完成齿轮的三维参数化建模工作，这有利于不同类型的轮缘减速器 内齿轮的自动生成，避免了大量的重复性工作。 建立参数化齿轮模型的流程如图3 1 所示。 1 4 图3 1 创建参数化齿轮模型的流程图 f i g 3 1f l o wc h a r lo fc o n s t m c tp a r a m e t r i cg e a f 首先把齿数、模数、压力角等设置成可输入的参数，然后根据齿廓的方程式生成 精确的齿廓渐开线，通过镜像的方法生成另一侧齿廓，倒过渡齿根圆角，生成一个完整 的齿廓。拉伸生成一个轮齿，复制一个轮齿( 也可不用这一步) ，接着用阵列的方法生 成其它的轮齿，最后生成齿轮的轴孔、辐板、轮缘等结构特征。这时，一个完整的齿轮 模型就建立出来了。 3 2 1 设置参数和关系式 本文建立的参数化齿轮模型，只须输入一些关键参数( 如模数、齿数、压力角、变 位系数等齿轮基本参数和轴孔半径、辐板厚度、轮缘厚度等结构参数 ) ，根据这些参数 就可以自动生成齿轮。在构造齿轮模型前，要把这些关键参数设置为可以输入的参数， 并设置数学关系式计算出其它相关数据( 如分度圆半径、齿顶圆半径、齿根圆半径等) 。 3 2 2 设置可输入参数 首先在p 删雹中建立一个新文件。点击“文件，新建零件”，输入零件名称，不勾选“使 用缺省模板”，点击“确定”按钮。 用“工具参数”命令设置齿轮六个基本参数：模数m m 、齿数z z 、压力角缸p h _ 1 5 - 东北大学硕士学位论文 第3 章p r o e 参数化建模及装配件程序开发 变位系数x 、齿宽b ，并赋给初始值，并定义5 个基本圆参数：齿根过渡圆r 1 、分度 圆d 、基圆d b 、齿顶圆d a 、齿根圆d f ，不用赋初始值，以备下一步用关系式控制其 大小，如图3 2 所示。 3 2 3 设置数学关系式 图3 2 参数初始化 f i g 3 2p a r a m e t e 璐i n i t i a l i z e 用“工具关系”命令输入齿廓计算的关系式，这样就可以计算出齿轮的齿根过渡圆 r 1 、分度圆d 、基圆d b 、齿顶圆d a 、齿根圆d f 。点击校核关系式，如图3 3 所示： 图3 3 关系式设计、校验 f 远3 3f 0 珊u l ad e s 咖柚dv e r i f y 当在造型的过程中需要用到数学关系式时，也可以随时打开这个记事本文件添加、 修改、校验关系式。 3 2 4 构造齿廓 用圈创建基准曲线，将出现一个曲线选项菜单，选择“从方程，后点击“完成，按钮。 1 6 - 图3 5 渐开线齿廓 图3 6 完整的轮齿轮廓曲线 f i g 3 5l l l v o l u t eg e a rc o n t o u ff i g 3 6i n t e 伊a l e d0 fg c a r n t o u f 锄e 接着把单侧齿廓线镜像复制，结合齿顶圆、齿根圆部分进行修剪，并倒出齿根圆角 生成了一个完整的轮齿轮廓曲线，如图3 6 所示。o j 3 2 5 生成轮齿 用拉伸命令，建立渐开线圆柱齿轮一个轮齿，拉伸宽度用参数b 控制。创建第1 个轮齿特征，如图3 7 所示。 1 7 东北大学硕士学位论文 第3 章p r o e 参数化