重型貨車差速器傳動柔性分析

陜西漢德車橋有限公司 （西安 710299） 鄭小艷 丁煒琦

差速器是重型貨車驅(qū)動橋總成中的主要功能部件，本文利用專業(yè)傳動分析軟件對差速器進行建模，并在有限元軟件中運用子結(jié)構(gòu)法提取差殼的剛度矩陣和節(jié)點位置信息并導(dǎo)入傳動分析模型中，對差速器進行柔性分析，并將分析報告作為邊界條件導(dǎo)回差速器有限元模型中，以實現(xiàn)對差速器的有限元分析。

1.差速器傳動分析原始模型

對某重型貨車差速器進行建模，只需要輸入?yún)?shù)或?qū)ο嚓P(guān)參數(shù)進行修改便可完成建模，對模型施加正確的載荷，就能進行系統(tǒng)總體變形下的強度校核計算。但是，傳動分析軟件對于復(fù)雜的軸和殼體等模型的建立有一定的局限性，只能通過建立中心對稱軸的方式代替復(fù)雜幾何模型，這樣必然影響復(fù)雜幾何模型的剛度、強度，進而影響最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。差速器三維模型分析如圖1所示。

圖1 差速器三維傳動分析模型

2.剛度矩陣的求解

由于差速器殼體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因而采用Pro/E軟件建造差速器殼體的三維實體模型?？紤]到計算分析的需要，對實體作了必要的幾何清理，例如去除小倒角、小圓角以及不影響結(jié)構(gòu)的臺階和小圓孔等。

將差速器殼體模型導(dǎo)入有限元軟件后，建立被動錐齒輪節(jié)錐和軸承內(nèi)圈模型，如圖2所示。

圖2 差速器殼、被動錐齒輪和軸承內(nèi)圈有限元幾何模型

采用四面體實體單元對大小差殼、錐齒輪和軸承座內(nèi)圈進行網(wǎng)格化分，大小差殼接合面、被動錐齒輪和大差殼配合面以及軸承內(nèi)圈與大小差殼接合面都采用共用節(jié)點的方式處理，如圖3所示。

圖3 差速器有限元模型

差速器殼體的材料為45鋼。提取差速器剛度矩陣和節(jié)點位置信息的分析步驟如圖4所示。

用1個節(jié)點的運動控制整個目標(biāo)面的運動，稱該節(jié)點為凝聚節(jié)點。根據(jù)差速器傳動分析模型，設(shè)定3個凝聚節(jié)點：錐齒輪理論嚙合點處1個和軸承中點處2個，如圖5所示。定義并固定3個凝聚節(jié)點，運用子結(jié)構(gòu)分析法提取差速器剛度矩陣和節(jié)點位置信息。

3.傳動分析結(jié)果

圖4

圖5 差速器凝聚節(jié)點

將差速器三維模型（.wrl文件）以及在有限元軟件中提取的剛度矩陣、節(jié)點位置信息導(dǎo)入傳動分析模型中，并且建立相應(yīng)的聯(lián)結(jié)，得到的傳動分析模型如圖6所示。

運行傳動分析軟件后，進入系統(tǒng)變形模塊，分別得到不考慮和考慮差速器殼體實際剛度兩種情況下，主減速器錐齒輪的安全系數(shù)報告，如附表所示。

圖6 柔性模塊差速器三維傳動分析模型

主減速器錐齒輪安全系數(shù)表

顯然，從以上結(jié)果可以看出：差速器殼體實際剛度對計算結(jié)果的真實性有著直接的影響，考慮差速器殼體的實際剛度之后，主減速器錐齒輪的安全系數(shù)降低，主動錐齒輪的彎曲疲勞安全系數(shù)小于1，不滿足設(shè)計要求。因此，運用傳動分析柔性模塊在實際分析過程中有著非常重要的作用。

4.差速器殼體有限元分析

進入傳動分析軟件的系統(tǒng)變形分析模塊，可以得到差速器機構(gòu)的系統(tǒng)變形分析結(jié)果，并計算出各工況下差速器凝聚節(jié)點的受力情況和位移報告，將其作為差速器殼體的邊界條件，導(dǎo)入有限元中進行靜力分析，就可以得到差速器大殼和小殼在最大載荷工況下的應(yīng)力分布云圖，如圖7、圖8所示。

圖7 大差殼米塞斯應(yīng)力云圖

圖8 小差殼米塞斯應(yīng)力云圖

在最大載荷工況下的大差殼最大應(yīng)力為383MPa，小差殼最大應(yīng)力為232MPa。45鋼的許用應(yīng)力為368MPa，大差殼的最大應(yīng)力超過許用應(yīng)力，不滿足設(shè)計要求。

5.結(jié)語

本文通過專業(yè)傳動分析軟件與有限元軟件的無縫聯(lián)結(jié)，闡述了某重型貨車差速器傳動柔性分析流程，既完成了對主減速器錐齒輪的強度校核，又實現(xiàn)了差速器殼體的有限元分析，其意義主要體現(xiàn)在以下三個方面：

（1）清晰地看出差速器殼體剛度對主減速器錐齒輪安全系數(shù)的影響程度。

（2）為差速器殼體的有限元分析提供了準(zhǔn)確的邊界條件。

（3）通過差速器殼體的有限元分析，可以進一步實現(xiàn)對差速器殼體的優(yōu)化設(shè)計。