粉末冶金行星齿轮架的有限元分析与优化设计.pdf

第 3 2卷第 3期 2 0 1 4年 6月 粉 末冶 金技 术 Powde r M e t a l l ur g y Te c hno l og y Vo 1 ． 3 2．No． 3 J u n ． 2 0 1 4 粉末冶金行星齿轮架 的有 限元分析与优化设计 术 潘 庆 庆 一 上海 电机学 院汽 车学 院 ， 上海 2 0 0 2 4 5 摘 要 根据行星齿轮架 的工作环境 ， 分析碳含量与铜含量对材料性 能的影响 ， 对 5种不 同成分 的混合铁粉 制造的行星齿轮架进行应力 和变形量的三维有限元计算 ， 选出最符合设计要求 的生产材料 。结合粉末冶金 的 加工方法 ， 设计 出符 合实际工况要求的高精度 、 高强度 、 形状 复杂的粉末 冶金行星齿轮架 。 关键 词 粉末 冶金 ； 行星齿轮架 ； 有限元分析 Fi n i t e El e me nt Ana l y s i s a nd Opt i mi z a t i o n De s i g n o f Po wd e r M e t a l l u r g y Pl a ne t a r y Ca r r i e r P a n Qi n g q i n g S c h o o l o f A u t o m o b i l e ， S h a n g h a i D i a n j i U n i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 2 4 5 ， C h i n a Abs t r ac t On t he b a s i s o f wo r k i n g c o n di t i o n o f p l a ne t a r y c a r r i e r ，t h e i n f l u e n c e o f c a r bo n a nd c o p p e r o n ma t e r i a l p r o p e r t i e s wa s a n a l y z e d ． The p r o d uc t i o n ma t e r i a l s c o mp l y i ng wi t h d e s i g n r e q ui r e me nt s we r e e l e c t e d t h r o u g h 3- D f i n i t e e l e me nt s s t r e s s a nd d e f o r ma t i o n a na l y s e s o f 5 c a r r i e r s f o rm e d b y mi x e d i r o n p o wde r． Th e p o wde r me t a l l ur g y p l a ne t a ry c a r r i e r c o mpl y i ng wi t h t h e r e qu i r e me nt s o f a c t ua l c o n di t i o n s wi t h h i g h - pr e c i s i o n，hi g h s t r e ng t h a nd c o mp l e x s ha pe wa s d e v e l o pe d b y c o mb i n i ng wi t h p o wde r me t a l l ur g y pr o c e s s i n g me t h o d s ． Ke y wor ds p o wde r me t a l l u r g y，p l a n e t a ry c a r r i e r，f i n i t e e l e me nt a na l y s i s 行星齿轮传 动系统 由于单位体 积可传递 的功 率 、 转矩都较大而广泛用于汽车、 飞机、 重型机械的 变速箱以及各种工业设备中。它在 由大转矩质量 比 而产生大的减速度时 ， 用来限制轴承负荷、 减低振动 和噪音 。其 中， 行星齿轮架是整个行星齿轮系统 中 承受外力矩最 大的零件⋯ 。它 的结构设 计和制造 质量对各行星轮间的载荷分配以至传动装置的承载 能力 、 噪声和振动有非常重要的作用。 传统国产行星齿轮架通常都是采用 Z G 4 5制造 而成 ， 先铸造毛坯 ， 再车削加工制造而成。产品质量 大， 生产浪费大 ， 废 品率高， 生产成本很高。并且铸 造过程可能造成产品内部疏松 ， 而存在气孔 ， 降低了 产 品强度。随着 自动变速箱 的广泛应用 ， 行星齿 轮 系统的需求量越来越大 ， 传统生产方式 已经无法适 应行星齿轮架的大批量生产 的要求 ， 导致该零件一 直依赖进 口。自从加拿大 S T A C K P O L E公 司开发出 铁基粉末冶金行星齿轮架代替铸铁架之后 ， 国外 的 行星齿轮架生产成本被大大降低 。这种行星齿轮架 是由低合金钢 的行星齿轮架和法兰上下两体分别压 制 ， 再通过烧结钎焊一次完成组装在一起 。烧结钎 焊制成的行星齿轮架与设计 昂贵和生产耗时的铸、 锻件 切削加 工 相 比 ， 能显 示 出优 良的 机 械性 能 和 巨 大的经济优势 。 本文通过对比粉末冶金行星齿轮架制备的几种 材料的特性 ， 在 A N S Y S中进行有 限元分析 ， 根据应 力云图与变形量云图， 结合粉末冶金生产特点 ， 确定 出最符合设计需求的粉末冶金行星齿轮架的材料和 结 构 。 }上海市高校选 拔培养优秀青年教师科研专项基金项 目资助 s 1 0 0 1 1 } 潘庆庆 1 9 8 4一 ， 女 ， 硕士 ， 讲师 。E m a i l p a n q q s d j n ． e d u ． c n 收稿 日期 2 0 1 31 1 1 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 0 粉末冶金技术 2 0 1 4年 6月 0 2347M a x 01 564 7 o0 782 3 5 M i n 3 5 ． o 0 图 8 F C 0 2 0 8 6 0变形云 图 Fi g ． 8 FC0 20 8 60 s t r e s s n e ph o g r am 表 2 计 算结 果 Ta bl e 2 Co mp ut e d r e s u l t s 密度、 弹性模量、 泊松比、 受力与边界条件完全相同 ， 所 以应力和变形量结果都是相同的。 有 限 元 分 析 结果 中可 看 出， 碳 含 量 最 低 的 F C 0 2 0 5 - 4 0材料 和密度最低 F C 0 2 0 8 ． 3 0的极限强度 低于第一主应力 ， 不能满足产品强度要求 ； F C 0 5 0 5 ． 5 0 、 F C 0 2 0 8 - 5 0与 F C 0 2 0 8 - 6 0三者 的极 限强 度都较 大， 变形量较小 ， 都符合产品强度要求 。 从综合经济性考虑 ， 在三者 中选取含铜量更低 1 ． 5 ％ ～3 ． 9 ％ 、 以及密度更低 6 ． 7 g c m 的 F C 0 2 0 8 - 5 0材料 ， 材料成本较低 ， 即可满足产品的设 计 要求 。 2 ． 3 不 同材 质 的行 星 齿轮架 的测 试 比较 粉末冶金 F C 0 2 0 8 - 5 0材料与传 统行星齿 轮架 Z G 4 5材料的特性测试结果对 比如表 3所示。 由表 3可知，F C 0 2 0 8 - 5 0的密度低于 Z G 4 5 ，极 限强度和硬度却远大于 Z G 4 5 ， 所以相 比传统铸钢行 星齿轮架 ， 粉末冶金工艺生产不仅能采用密度更低 的材料 ， 降低产品重量 ， 还能达到更大 的屈服强度 ， 提高产品硬度 ， 延长使用寿命 ， 更能简化生产步骤 ， 提高生产效率。 表 3 材 料特 性对 比 Ta bl e 3 Ma t e ria l p r o pe r t i e s c o nt r a s t 3 结论 1 本文通过对结构的优化 ， 设计 出适合粉末冶 金生产的行星齿轮架 ， 并对其制造材料进行分析 ， 研 究 含碳 量与 含铜 量对 材料 性能 的影 响 。通 过有 限元 的应力与变形量计算 ， 最终确定采用 F C 0 2 0 8 ． 5 0粉 末冶金材料 。对生产 出的行星齿轮架样品进行硬度 测定 、 金相组织分析、 产品密度分析 ， 使性能符合设 计要 求 。 2 传统的铸造和机加工生产的 Z G 4 5行星齿轮 架质量较大 ， 密度达到 7 ． 8 g c m～， 而采用粉末冶 金制造 的行星齿轮架密度只有 6 ． 7 gc m～， 不仅 产品质量可 降低 1 5 ％ ， 屈服强 度与硬 度却 能提 高 1 0 ％以上 。对于行星齿轮架这种单位体积承载能力 较大的零件， 粉末冶金无疑不仅能减轻产品质量 、 提 高产品机械性能， 更能大大提高生产效率、 降低生产 成本 。 3 粉末冶金 的生产成本主要在 于模具开发、 设 备损耗和原材料 ， 所 以它不仅非常适用于汽车工业 的低成本高效率大批量生产 ， 而且通过烧结钎焊等 特殊工艺 ， 能生产 出结构更为复杂的组合零件 ， 更能 符合汽车轻量化的发展趋势。 参考文献 [ 1 ]张桂菊 ， 肖才远 ．基 于 A N S Y S的行 星齿 轮传 动系统 有 限元分 析． 湖南师范大学 自然科学学报 ． 2 0 1 2 2 2 4 2 7 [ 2 ]韩凤麟 ． 粉末冶金零件与汽车工业． 新材料产业 ． 2 0 0 7 1 1 3 1 3 8 [ 3 ]MP I F 3 5 2 0 0 7美 国粉末冶金结构零件材料标 准 [ 4 ]王庆五 ， 胡仁喜．A N S YS I O ． 0机 械设计 高级应用 实例． 北京 机 械工业 出版社 ， 2 0 0 6 ， 1 5 6 2 8 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m