王軼群 陳偉偉 彭雷 史學(xué)峰

【摘要】基于ABAQUS有限元分析軟件，介紹某SUV車型后主減速器及差速器總成殼體強(qiáng)度分析方法。對模型施加主減速器最大輸入扭矩，用ABAQUS軟件進(jìn)行求解計(jì)算，并對分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。此方法對于車輛主減速器及差速器殼體強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有一定參考作用。

【關(guān)鍵詞】主減速器及差速器；殼體；強(qiáng)度；ABAQUS；有限元分析

1.引言

主減速器及差速器總成、整體式車橋作為車輛傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵零部件，對保證發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力順利傳輸起到關(guān)鍵作用。其殼體起到支撐、保護(hù)內(nèi)部零件、承載動(dòng)力及保存潤滑油等作用，一旦殼體開裂，將嚴(yán)重影響主減速器及差速器總成的工作，甚至導(dǎo)致車輛的基本行駛功能喪失。故其殼體強(qiáng)度尤為重要。

以某款SUV車型主減速器及差速器總成殼體為例，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段應(yīng)用ABAQUS有限元分析軟件對其強(qiáng)度進(jìn)行分析，識(shí)別應(yīng)力集中部位，為其設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考，避免后期產(chǎn)品因強(qiáng)度問題產(chǎn)生失效。

有限元分析法是一種運(yùn)用各種數(shù)值計(jì)算方法在計(jì)算機(jī)上對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的原理、功能、性能等進(jìn)行前期預(yù)測或改進(jìn)的一種仿真分析技術(shù)，在縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，提高產(chǎn)品的性能品質(zhì)，提升企業(yè)的競爭力等方面起著非常重要的作用。

2.幾何模型及有限元模型

運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件CATIA建立后主減速器及差速器總成殼體三維模型，如圖一所示。為方便有限元模型建立，對三維模型進(jìn)行局部簡化處理[1-2]：省略局部細(xì)小特征及花鍵、螺紋、部分倒角、圓角。完成后的有限元網(wǎng)格模型如圖二所示。其中殼體采用四面體單元，軸承、主齒等機(jī)構(gòu)采用六面體單元。最終得到體單元328924個(gè)。

3.邊界條件及模型載荷加載

3.1邊界條件

對于整體式后橋，約束安裝螺栓孔及主齒螺母安裝處的三向平移自由度，如圖三所示。

3.2模型載荷加載

3.2.1后主減速及差速器總成輸入扭矩計(jì)算

此款SUV車型由發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算的后主減速器及差速器總成最大輸入扭矩為4911N·m，由單邊車輪打滑計(jì)算的后主減速器及差速器總成打滑輸入扭矩為1261.4N·m。兩者取小值作為模型的輸入計(jì)算扭矩。

3.2.2模型載荷加載[3-4]

由打滑扭矩計(jì)算出主、被齒受力，作為模型的載荷進(jìn)行加載。主齒旋向?yàn)樽笮?，齒輪旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針（從汽車前部向后看）。其中主齒受力如圖四所示：

首先確定齒輪嚙合點(diǎn)圓周力F：

式中T為被齒轉(zhuǎn)矩；為被齒齒面寬中點(diǎn)處分度圓直徑。

式中D2是被齒大端分度圓直徑；b2被齒齒面寬；被齒節(jié)錐角。

對于螺旋錐齒輪副，作用在主、被齒的圓周力大小相等，方向相反，對于雙曲面齒輪副。他們的圓周力關(guān)系如下：

式中、分別為主被齒螺旋角。

再確定軸向力及徑向力。

式中Fap為主齒軸向力；FRp為主齒徑向力；FaG為被齒軸向力；FRG為被齒徑向力；α為法向壓力角。γ為齒輪節(jié)錐角，在計(jì)算主齒時(shí)用齒頂面錐角代替，計(jì)算被齒時(shí)用齒根面錐角代替。主被齒受力計(jì)算結(jié)果見表一。

表一 主、被齒受力計(jì)算結(jié)果

主齒 被齒

圓周力（N） 41078 53589

軸向力（N） 3358 40856

徑向力（N） 53865 7688

4.有限元模型搭建注意點(diǎn)

為使計(jì)算結(jié)果容易收斂，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，模型搭建過程中需注意以下幾點(diǎn)[5-6]：

1.由于只考察殼體，內(nèi)部的被齒及差速器等結(jié)構(gòu)省略，用Coupling單元代替；

2.軸承與殼體接觸的部位做接觸，差速器的兩個(gè)軸承做軸向定位；

3.軸承蓋與軸承座用Tie連接；

4.主、被齒受力的坐標(biāo)系用各自的局部坐標(biāo)系。

搭建完成的有限元分析模型如圖五所示。

5.計(jì)算結(jié)果

利用ABAQUS后處理模塊進(jìn)行后處理工作。不考慮由于加載應(yīng)力集中造成應(yīng)力過大的主齒應(yīng)力分布。殼體應(yīng)力分布云圖如圖六所示。

由上圖可以看出，最大應(yīng)力位于軸承座根部，最大應(yīng)力146.1MPa。小于殼體材料QT-450-10的屈服強(qiáng)度310MPa，因此殼體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

6.結(jié)束語

上述介紹的應(yīng)用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行的主減速器及差速器總成殼體強(qiáng)度分析，提供了一種分析主減速器及差速器總成殼體強(qiáng)度的方法。對車輛主減速器及差速器總成殼體設(shè)計(jì)及優(yōu)化具有一定參考作用。另外對于提高殼體設(shè)計(jì)水平，具有較強(qiáng)的實(shí)際指導(dǎo)意義。

讀者還可以嘗試其他加載方式，例如軸承位加載。將結(jié)果與在主、被齒加載時(shí)的橋殼應(yīng)力分布情況進(jìn)行對比，驗(yàn)證結(jié)果一致性。

參考文獻(xiàn)

[1]孫輝.微型車驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與模態(tài)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（8）：219-221.

[2]黃薇.汽車后橋有限元疲勞壽命分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2007（4）：21-22.

[3]《汽車底盤設(shè)計(jì)》（王霄鋒編著）-北京：清華大學(xué)出版社，2010.4.

[4]《汽車構(gòu)造》（陳家瑞主編）-3版-北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.2.

[5]《ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解》（石亦平 周玉蓉著）--北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.6.

[6]《基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用》（莊茁著）--北京：清華大學(xué)出版社，2009.