有限元分析在汽車(chē)主減速器殼設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

黃一鳴（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545007）

有限元分析在汽車(chē)主減速器殼設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

黃一鳴
（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545007）

主減速器是汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋的重要組件之一，其主要作用將發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩傳遞到車(chē)輪兩端，在此過(guò)程中，主減速器殼扮演著維持整個(gè)傳動(dòng)鏈穩(wěn)定的重要角色，其剛度和強(qiáng)度均是設(shè)計(jì)者需關(guān)注的重點(diǎn)。利用有限元分析軟件分析得到主減速器殼體剛度和強(qiáng)度的，利用不同剛度的主減速器殼體裝配主減總成裝車(chē)進(jìn)行 NVH測(cè)試，以獲得主減速器殼體剛度對(duì)主減噪音的影響，為后續(xù)主減速器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

Altair Hypermesh；汽車(chē)主減速器殼；有限元分析；剛度和強(qiáng)度

主減速器是汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋的一個(gè)重要組件，其主要作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)或變速箱傳來(lái)的扭矩通過(guò)減速增扭，并將扭矩傳遞到車(chē)輪上來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛。主減速器殼體支撐著整個(gè)主減總成，并維持傳動(dòng)平穩(wěn)，工作過(guò)程中，殼體受到機(jī)械負(fù)荷和沖擊載荷的共同作用，工況惡劣，容易產(chǎn)生裂紋，因此在過(guò)去主減速器殼的校核中，僅對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行校核。

隨著汽車(chē)行業(yè)NVH技術(shù)的發(fā)展，零部件的強(qiáng)度滿(mǎn)足使用已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)低噪音的要求，主減速器殼的剛度不足會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)過(guò)程中齒輪嚙合偏移，進(jìn)而影響齒輪嚙合噪音以及使用壽命，因此在主減速器殼的設(shè)計(jì)中，主減速器殼強(qiáng)度和剛度都必須是設(shè)計(jì)者的關(guān)注重點(diǎn)。

本文以某MPV后驅(qū)車(chē)型主減速器殼為例，通過(guò)根據(jù)整車(chē)的輸入?yún)?shù)計(jì)算出傳動(dòng)鏈中關(guān)鍵部件的受力情況，再根據(jù)各部件在主減速器殼中的位置將載荷分配到軸承上，軸承的受力將會(huì)直接作用于主減速器殼上，通過(guò)有限元分析計(jì)算，對(duì)比兩種不同剛度主減速器殼的應(yīng)力云圖、位移云圖，最終根據(jù)整車(chē)噪聲測(cè)試，來(lái)驗(yàn)證剛度的影響。

1 理論依據(jù)

運(yùn)用有限元分析軟件 Altair Hypermesh對(duì)汽車(chē)主減速器殼體進(jìn)行有限元分析計(jì)算。通過(guò)對(duì)比應(yīng)力、關(guān)鍵位置位移，最后在根據(jù)在整車(chē)上的表現(xiàn)，以確定兩種主減速器殼的性能，為后續(xù)主減速器殼的設(shè)計(jì)提供依據(jù)?？紤]軸承本體剛度要遠(yuǎn)大于主減速器殼體剛度，因此本次分析將軸承作為剛體。

2 汽車(chē)主減速器殼體有限元分析

2.1 主減速器殼體模型的建立

利用UG軟件建立主減速器殼體的三維實(shí)體模型，如圖1所示。

圖1 2種主減速器殼體三維模型（左為1#，右為2#）

2.2 網(wǎng)格劃分

將該結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入有限元分析軟件Altair Hypermesh，按照邊長(zhǎng)為2mm對(duì)主減速器殼劃分網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 2種主減速器殼體有限元模型（左為1#，右為2#）

2.3 參數(shù)確定

（1）主減速器殼的材料選用QT450-10A，材料參數(shù)如表1所示。

表1 輪轂材料參數(shù)表

（2）整車(chē)輸入?yún)?shù)如表2所示。

表2 整車(chē)輸入?yún)?shù)表

（3）主被齒參數(shù)如表3所示。

表3 主被齒參數(shù)表

（4）軸承安裝圖（圖3）以及各尺寸如表4所示。

表4 軸承安裝位置參數(shù)表

圖3 軸承安裝圖（垂直紙面出來(lái)方向?yàn)?Z向）

（5）軸承信息如表5所示。

表5 各軸承信息表

2.4 受力工況計(jì)算

根據(jù)汽車(chē)行駛情況，主要將加速工況時(shí)主減速器殼受力作為研究對(duì)象。

加速工況：

主減輸入扭矩計(jì)算

式中：

M加速輸入－加速行駛時(shí)，主減的最大輸入扭矩; Mi－發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸入扭矩

i1－變速箱1檔速比

（1）計(jì)算圓周力P

則圓周力P

式中

d1m，d2m——主、從動(dòng)齒輪齒面寬中點(diǎn)的分度圓直徑；P1，P2——雙曲面主、從動(dòng)齒輪的圓周力

（2）計(jì)算主、從動(dòng)齒輪的軸向力和徑向力

式中

A1，A2——主、從動(dòng)齒輪所受軸向力；

R1，R2——主、從動(dòng)齒輪所受徑向力

（3）計(jì)算主、從動(dòng)齒輪軸承受力

（以下R代表徑向力，A代表軸向力）軸承A

方向?yàn)?Z

方向?yàn)閅

A軸承徑向力產(chǎn)生的派生軸向力

方向?yàn)?X

B軸承徑向力產(chǎn)生的派生軸向力

方向?yàn)?X

因?yàn)锳1+ABR＞AAR

所以AA=A1+ABR= 32653 + 2639 =35292N

方向?yàn)?XAB=0

軸承B

方向?yàn)?Z

方向?yàn)?Y

軸承C

方向?yàn)?Z

方向?yàn)?X

C軸承徑向力產(chǎn)生的派生軸向力

方向?yàn)?Y

D軸承徑向力產(chǎn)生的派生軸向力

方向?yàn)?Y

因?yàn)锳2+ACR＞ADR

所以AD=A2+ACR= 6803 + 5059 =11862N

方向?yàn)?Y

AC=0

軸承D

方向?yàn)?Z

方向?yàn)?X

2.5 有限元約束及載荷施加

通過(guò) Altair Hypermesh軟件分別對(duì)兩種剛度不同的主減速器殼進(jìn)行有限元分析。約束法蘭面螺栓安裝孔位，在 4個(gè)軸承位按計(jì)算好的作用力以及作用方向施加載荷（見(jiàn)圖4）。

圖4 2種主減速器殼體有限元加載模型（左為1#，右為2#）

2.6 有限元分析結(jié)果

兩種主減速器殼的應(yīng)力云圖（圖5）。

兩種主減速器殼的變形云圖（圖6）。

圖6 2種主減速器殼體變形云圖（左為1#，右為2#）

2.7 有限元分析結(jié)果匯總

計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)表6和表7。強(qiáng)度結(jié)果（表6）：

表6 強(qiáng)度校核結(jié)果

剛度結(jié)果（表7）：

表7 剛度計(jì)算結(jié)果

3 主減速器殼裝上整車(chē)試驗(yàn)

本次試驗(yàn)將兩種主減速器殼體按要求裝配成相同的 2臺(tái)主減總成，并裝與同一臺(tái)車(chē)前后進(jìn)行NVH測(cè)試，在座椅后排位置聲學(xué)麥克風(fēng)，對(duì)比兩種主減速器殼的使用效果。具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 NVH測(cè)試結(jié)果

根據(jù)NVH測(cè)試結(jié)果，增大主減速器殼體的剛度對(duì)主減總成在整車(chē)條件下的NVH效果有提升，由于減殼受力變形導(dǎo)致齒輪嚙合錯(cuò)位量，維持整個(gè)車(chē)橋傳動(dòng)系統(tǒng)鏈的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

通過(guò) UG軟件建立主減速器殼體的三維模型，計(jì)算出主減速器殼體在加速工況時(shí)的應(yīng)力情況以及各個(gè)軸承位置的變形量，最后通過(guò)NVH測(cè)試驗(yàn)證對(duì)主減速器殼體加強(qiáng)剛度的優(yōu)勢(shì)。此分析方法對(duì)今后設(shè)計(jì)低噪音車(chē)橋具有重要的借鑒意義。

[1] 余志生.汽車(chē)?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

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[3] 李建功.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[4] 張洪武,關(guān)振群.有限元分析與CAE技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

Finite element analysis in the design of the main reducer shell

The main reducer is one of the important component of drive axle, its main function is transmit the torque of engine to the wheels, in the process, the main reducer shell plays an important role to maintain the stability of the transmission chain, the stiffness and strength should be focused of attention by designer. Using finite element analysis software to apply loads and constraints to get the results of stiffness and strength of the main reducer shells, continue to the assembly the main reducers with the two shells in the car for NVH test to obtain the effect on the noise of the main reducer by the stiffness of the shells, and provide reference for the design and optimization of main reducer in the future.

Altair Hypermesh; main reducer shell; finite element analysis; stiffness and strength

U46

A

1008-1151(2016)11-0040-03

2016-10-12

黃一鳴（1989－），男，上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心助理工程師，研究方向?yàn)槠?chē)車(chē)橋設(shè)計(jì)以及性能研究。