一种分析减速箱启动力矩方法

技术领域

本发明涉及减速器的技术领域，具体涉及一种分析减速箱启动力矩方法。

背景技术

减速箱系统的启动力矩是一项与效率相关的重要参数，并且由于其检测在产线中的易实现性，常常作为质量控制的指标之一。减速箱系统启动力矩的大小不仅与轴承类型、轴承参数、轴的尺寸、各级减速比、轴承位置等相关，而且与相关公差尺寸链也存在密切的关系。

因此，在减速器的前期开发阶段如何对启动力矩进行评估是非常重要的事项，但是由于影响减速箱系统启动力矩的因素十分广泛，导致项目前期的启动力矩评估带来了相当的难度。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种分析减速箱启动力矩方法，以解决现有技术中由于影响减速箱系统启动力矩的因素十分广泛，导致项目前期的启动力矩评估带来了相当的难度的技术问题。

本发明提供了一种分析减速箱启动力矩方法，包括：

S1、基于减速器的速比参数、轴承参数、轴承外圈、轴承座的径向配合参数和轴向配合参数构建减速器的3D模型；

S2、对所述3D模型中所述关键设计参数按照中间轴和输出轴进行参数分类分组，并对所述3D模型进行有限元分析求解，分别输出中间轴和输出轴的轴向预紧力；

S3、基于所述轴向预紧力和轴承参数计算单个轴承的启动力矩，并基于单个所述轴承的启动力矩和速比参数计算减速器总成系统的启动力矩；

S4、对所述减速器总成系统的启动力矩进行单变量影响趋势回归分析，得到所述减速器总成系统的启动力矩随输出轴轴向预紧量的变化趋势和所述减速器总成系统的启动力矩随中间轴轴向预紧量的变化趋势；

S5、基于所述变化趋势中所述减速器总成系统的启动力矩随输出轴轴向预紧量和减速器总成系统的启动力矩随中间轴轴向预紧量的取值分别计算所述减速器启动力矩的上边界和下边界。

可选地，所述并对所述3D模型进行有限元分析求解，包括：

对所述3D模型中的部件进行网格划分，包括对所述3D模型中的电机端壳体、减速器端壳体和差速器壳体划分为2阶4面体网格；对所述3D模型中的中间轴大齿轮、中间轴小齿轮、轴承滚子、轴承内圈、轴承外圈进行简化并划分为1阶6面体网格，螺栓简化为梁单元并通过rbe2与壳体螺栓孔连接，然后赋予所述部件对应的材料属性。

可选地，所述并对所述3D模型进行有限元分析求解，还包括：

对所述3D模型进行接触关系设置、边界约束以及载荷施加。

可选地，所述基于所述轴向预紧力和轴承参数计算单个轴承的启动力矩，包括：

单个所述轴承的启动力矩的计算公式表示为：

T＝eμcosβF

其中，e为所述轴承滚子的端面与挡边的接触位置，μ为所述轴承滚子的端面与挡边的滑动摩擦系数，β为所述轴承滚子的锥角的1/2，F

可选地，所述并基于单个所述轴承的启动力矩和速比参数计算减速器总成系统的启动力矩，包括：

T

其中，T

可选地，所述减速器总成系统的启动力矩随输出轴轴向预紧量的变化趋势和所述减速器总成系统的启动力矩随中间轴轴向预紧量的变化趋势，包括：

当中间轴轴向预紧量、径向过盈量均取最小值，且输出轴轴向预紧量、径向过盈量均取最大值时，减速器系统启动力矩最小；当中间轴向预紧量、径向过盈量均取最大值，且输出轴轴向预紧量、径向过盈量均取最小值时，减速器系统启动力矩最大。

可选地，所述基于所述变化趋势中所述减速器总成系统的启动力矩随输出轴轴向预紧量和减速器总成系统的启动力矩随中间轴轴向预紧量的取值分别计算所述减速器启动力矩的上边界和下边界，包括：

基于中间轴轴向预紧量、径向过盈量均取最小值，且输出轴轴向预紧量、径向过盈量均取最大值时，重复步骤S3计算减速器启动力矩的下边界；基于中间轴向预紧量、径向过盈量均取最大值，且输出轴轴向预紧量、径向过盈量均取最小值时，重复步骤S3计算减速器启动力矩的上边界。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

采用分类降维的思路减少减速箱的计算量，通过有限元方法与理论解析方法相结合的方式，并通过单变量回归分析法，得到单因素的影响趋势，并据此延拓样本空间达到了可计算出整个样本空间中减速器启动力矩下边界与上边界的目的。通过分类降维的思路减少了计算量，并通过有限元方法与解析方法的结合、趋势分析与分析空间延拓相结合以较小的代价计算出了减速箱启动力矩的上、下边界，降低了评估难度，为前期开发工作打好坚实的基础。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明中模型参数分类和分组示意图；

图3为本发明中3D模型的整体拆分示意图；

图4为本发明中输出轴轴承与差速器壳体的接触结构示意图；

图5为本发明中中间轴轴承与中间轴齿轮轴向接触结构示意图；

图6为本发明中输出轴轴承外圈和中间轴轴承外圈与减速器端壳体径向接触位置示意图；

图7为本发明中减速器系统在输出轴位置的启动力矩示意图；

图8为本发明中减速器系统启动力矩计算示意图；

图9为本发明中启动力矩随输出轴轴向预紧量的变化趋势示意图；

图10为本发明中启动力矩随中间轴轴向预紧量的变化趋势示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。本发明实例中相同标号的功能单元具有相同和相似的结构和功能。

参见图1，本发明提供了一种分析减速箱启动力矩方法，包括：

S1、基于减速器的速比参数、轴承参数、轴承外圈、轴承座的径向配合参数和轴向配合参数构建减速器的3D模型；

S2、对所述3D模型中所述关键设计参数按照中间轴和输出轴进行参数分类分组，并对所述3D模型进行有限元分析求解，分别输出中间轴和输出轴的轴向预紧力；

S3、基于所述轴向预紧力和轴承参数计算单个轴承的启动力矩，并基于单个所述轴承的启动力矩和速比参数计算减速器总成系统的启动力矩；

S4、对所述减速器总成系统的启动力矩进行单变量影响趋势回归分析，得到所述减速器总成系统的启动力矩随输出轴轴向预紧量的变化趋势和所述减速器总成系统的启动力矩随中间轴轴向预紧量的变化趋势；

S5、基于所述变化趋势中所述减速器总成系统的启动力矩随输出轴轴向预紧量和减速器总成系统的启动力矩随中间轴轴向预紧量的取值分别计算所述减速器启动力矩的上边界和下边界。

本实施例中，S1、基于减速器的速比参数、轴承参数、轴承外圈、轴承座的径向配合参数和轴向配合参数构建减速器的3D模型。

以一款常见的二级减速箱为例，其中关键设计参数至少包括：

1、一级速比R

2、输入轴轴承外圈与减速器端壳体、电机端壳体径向间隙配合，轴向无预紧；

3、中间轴轴承外圈与减速器端壳体、电机端壳体径向过盈配合(最小过盈量M

4、输出轴轴承外圈与减速器端壳体、电机端壳体径向过盈配合(最小过盈量O

S2、对所述3D模型中所述关键设计参数按照中间轴和输出轴进行参数分类分组，并对所述3D模型进行有限元分析求解，分别输出中间轴和输出轴的轴向预紧力。

考虑到启动力矩产生的主要原因是：轴承在轴向预紧力作用下，由于摩擦的原因产生了与转动方向相反的阻力力矩。因此，对于间隙配合的轴承来说其对启动力矩的影响基本可以忽略，而在一般情况下存在径向过盈与轴向预紧的锥轴承往往是启动力矩的主要贡献点，并且其轴向预紧与径向过盈往往也是同时存在，从锥轴承受力分析角度看，在存在径向过盈的情况下，由于壳体轴承座的约束作用，轴承外圈的内滚道将向内缩小，在锥面的作用下，即是使得圆柱滚子在轴向方向上产生一个微小的轴向位移，这与轴向预紧的效果是一致的，因此对于同一个轴承来说，径向过盈对轴向预紧力的影响趋势与轴向预紧量是相同的，虽然由于壳体刚度、轴承锥度等其它因素的协同影响，两者影响的程度可能存在差异，但为了减少分析变量数量，对于同一个轴来说可将径向过盈与轴向过盈归为相似类以达到样本空间降维、减少计算量的目的。因此，参见图2，对3D模型的参数进行分类分组。

参见图3-图6，对3D模型进行有限元分析，首先基于上述的分组结果，首先对3D模型中的各个部件进行网格划分：将电机端壳体、减速器端壳体、差速器壳体划分为2阶4面体网格，对于中间轴大齿轮、中间轴小齿轮、轴承滚子、轴承内圈、轴承外圈进行合理简化并划分为1阶6面体网格，螺栓简化为梁单元并通过rbe2与壳体螺栓孔连接，然后对各个部件赋予对应的材料属性；

其次，设置接触关系，电机端壳体与减速器端壳体摩擦接触，轴承外圈与减速器端壳体、电机端壳体轴承座摩擦接触，轴承外圈与轴承滚子简化体无摩擦接触，轴承内圈与轴承滚子简化体在锥面接触位置无摩擦接触，轴承内圈与轴承滚子简化体端面接触位置摩擦接触，轴承内圈与差速器壳体(或中间轴)轴摩擦接触；

最后，进行边界约束及载荷施加，电机端壳体结合面位置的螺栓孔固定约束。载荷施加：第1分析步：施加螺栓预紧力，第2分析步：在第1分析步的最后一个迭代步的基础上，保持螺栓长度不变，在输出轴轴承外圈与减速器端壳体径向接触位置、中间轴轴承外圈与减速器端壳体径向接触位置施加对应的径向过盈量，在输出轴轴承内圈端面与差速器壳体轴向接触位置、中间轴轴承内圈端面与中间轴小齿轮轴向接触位置施加对应的轴向预紧量。

将上述模型提交计算，并对计算结果文件进行后处理，输出中间轴轴承内圈端面与中间轴小齿轮轴向接触位置的法向作用力(即为中间轴的轴向预紧力F

S3、基于所述轴向预紧力和轴承参数计算单个轴承的启动力矩，并基于单个所述轴承的启动力矩和速比参数计算减速器总成系统的启动力矩。

参见图7，单个所述轴承的启动力矩的计算公式表示为：

T＝eμcosβF

其中，e为所述轴承滚子的端面与挡边的接触位置，μ为所述轴承滚子的端面与挡边的滑动摩擦系数，β为所述轴承滚子的锥角的1/2，F

参见图7，并基于单个所述轴承的启动力矩和速比参数计算减速器总成系统的启动力矩，包括：

T

其中，T

S4、对所述减速器总成系统的启动力矩进行单变量影响趋势回归分析，得到所述减速器总成系统的启动力矩随输出轴轴向预紧量的变化趋势和所述减速器总成系统的启动力矩随中间轴轴向预紧量的变化趋势。

参见图8，依据前述的启动力矩计算公式计算减速器总成系统的启动力矩，进行单变量影响趋势回归分析(依据一般规律，采用线性回归方式构建分点式回归空间)，分别寻找启动力矩中间轴轴预紧量、输出轴轴向预紧量的变化趋势。

参见图9，案例1：可知当中间轴轴向预紧量取最小值时的变化趋势，参见图10，案例2：可知当输出轴轴向预紧量取最小值时的变化趋势。

S5、基于所述变化趋势中所述减速器总成系统的启动力矩随输出轴轴向预紧量和减速器总成系统的启动力矩随中间轴轴向预紧量的取值分别计算所述减速器启动力矩的上边界和下边界。

在上述单变量影响趋势回归分析结果的基础上，依据径向过盈对于启动力矩的影响与轴向预紧量具有相同趋势的分析结论，增加径向过盈量因素影响的考量，提升样本空间维度，使其覆盖大部分的样本域。

根据案例1和案例2中的趋势回归分析结果：减速器总成系统启动力矩随输出轴轴向预紧量的增大而单调递减；随中间轴轴向预紧量的增大而单调递增，由此可推测：当中间轴轴向预紧量、径向过盈量均取最小值，且输出轴轴向预紧量、径向过盈量均取最大值时(计为case10)，减速器总成系统启动力矩最小；当中间轴向预紧量、径向过盈量均取最大值，且输出轴轴向预紧量、径向过盈量均取最小值时(计为case11)，减速器总成系统启动力矩最大；

将case10、case11对应的模型依次进行步骤S3分别计算出这两种状态下减速器系统的启动力矩T

本方案采用分类降维的思路减少计算量，通过有限元方法与理论解析方法相结合的方式，并通过单变量回归分析法，得到单因素的影响趋势，并据此延拓样本空间达到了可计算出整个样本空间中减速器启动力矩下边界T

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。