基于Romax的差速器殼體故障分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

張凱，胡順安，林方軍，宋建平，王國元，狄超群

(1.山東蓬翔汽車有限公司，山東煙臺 265600；2.常熟理工學(xué)院，江蘇蘇州 215500)

0 引言

驅(qū)動橋是重型汽車的主要總成之一[1]，其功用主要包括：增大變速器傳來的扭矩；改變傳動方向；將動力合理地傳遞給兩側(cè)車輪。驅(qū)動橋在傳遞扭矩過程中主要在主減速器內(nèi)工作，其中主減速器包含差速器[2]，差速器將動力從主從動錐齒輪向兩側(cè)車輪傳遞扭矩。差速器在傳遞扭矩過程中需要較高的強(qiáng)度，才能支撐從動錐齒輪正常的運(yùn)轉(zhuǎn)。由于主減速器內(nèi)存在準(zhǔn)雙曲面齒輪，該齒輪受力計(jì)算復(fù)雜，李玉麗、樊智濤等[3-4]利用ANSYS等軟件針對汽車差速器進(jìn)行了相關(guān)研究，但計(jì)算并未準(zhǔn)確導(dǎo)入準(zhǔn)雙曲面齒輪，由于準(zhǔn)雙面齒輪計(jì)算較為復(fù)雜，需要引入專業(yè)的齒輪設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)客戶臺架測試反饋的故障信息，利用Romax軟件中的Enduro模塊進(jìn)行了差速器殼體建模，針對客戶進(jìn)行的反拖工況進(jìn)行了建模分析，并找到了與故障模式相符的差速器殼體薄弱點(diǎn)并加以改進(jìn)。

1 故障模式

如圖1所示的某型號產(chǎn)品，在給客戶批產(chǎn)前進(jìn)行了小批量試裝，客戶在接收公司產(chǎn)品后進(jìn)行了反拖工況的臺架測試，出現(xiàn)了差速器殼體刷圈和斷裂的故障(圖2)。

圖1 主減速器總成示意

圖2 差速器殼體刷圈及開裂故障

根據(jù)故障信息反饋，差速器殼體斷裂于齒輪配合處的R2圓角處刷圈以及十字軸孔附近如圖3所示。

圖3 差速器殼體模型

2 分析模型建立

利用Romax對該故障型號主減速器進(jìn)行簡化建模，如圖4模型所示。

圖4 Romax減速器模型

由于Romax自身建立的只是虛擬軸系統(tǒng)，并不能真實(shí)反映差速器殼體的應(yīng)力。只能根據(jù)模型計(jì)算出由從動錐齒輪作用在差速器殼體上的軸向力。需要再利用Abaqus將準(zhǔn)確的差速器殼體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，導(dǎo)出有限元剛度模型，再將準(zhǔn)確的三維差速器殼體模型導(dǎo)入到Romax系統(tǒng)中，以此就能準(zhǔn)確地將差速器殼體支撐剛度導(dǎo)入到Romax中，如圖5所示。再利用系統(tǒng)計(jì)算出來的齒輪嚙合時(shí)的軸向力，進(jìn)一步將軸向力傳遞到差速器殼體上，以此得出準(zhǔn)確的差速器殼體應(yīng)力分布。并對模型按照客戶要求的統(tǒng)一的臺架測試QC/T 533—1999標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行載荷譜加載分析，具體見表1。

圖5 差速器殼體有限元模型

表1 減速器加載載荷譜

在Romax中進(jìn)行加載分析后，如圖6所示為差速器殼體在該載荷譜的有限元應(yīng)力情況。

圖6 差速器殼體有限元應(yīng)力模型

有限元分析后R2圓角處應(yīng)力超過580 MPa，十字軸孔附近應(yīng)力超過460 MPa。差速器殼體材料為QT600-3，σb=600 MPa，差速器殼體最大應(yīng)力幾乎接近差速器殼體的強(qiáng)度極限。可以說明在該載荷譜下差速器殼體強(qiáng)度不足，和臺架測試損壞結(jié)果基本一致,需要針對模型進(jìn)行進(jìn)一步加強(qiáng)。

3 模型改進(jìn)及驗(yàn)證

根據(jù)分析結(jié)果分別對差速器殼體的應(yīng)力較大部分進(jìn)行了加強(qiáng)，分別將圖3中R2圓角增加到R9，R10增加到R15，將優(yōu)化后的模型導(dǎo)入Romax進(jìn)行有限元分析,得出如圖7結(jié)果。

圖7 加強(qiáng)后差速器殼體有限元應(yīng)力模型

有限元分析R9及R15圓角處應(yīng)力約305 MPa，優(yōu)化后的安全系數(shù)達(dá)到1.97，差速器殼體材料強(qiáng)度足以覆蓋差速器殼體最大應(yīng)力?？梢哉f明改進(jìn)后的差速器殼體在該載荷譜下差速器殼體強(qiáng)度已滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

為了驗(yàn)證有限元分析的結(jié)果，將優(yōu)化后的減速器總成進(jìn)行了臺架實(shí)際測試，并完全按照軟件設(shè)定的載荷譜進(jìn)行加載，得出結(jié)果較為理想，達(dá)到測試時(shí)間后，差速器殼體并未損壞，拆解后對差速器殼體進(jìn)行了探傷，也并未發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖8 臺架測試后差速器殼體探傷

4 結(jié)論

經(jīng)過Romax建模分析以及導(dǎo)入準(zhǔn)確差速器殼體進(jìn)行有限元分析，并對測試結(jié)果進(jìn)行了臺架驗(yàn)證。結(jié)果說明將差速器殼體以有限元模型的方式導(dǎo)入到Romax軟件中進(jìn)行受力分析的方式比較可靠，能夠準(zhǔn)確地顯示應(yīng)力較大的部位和數(shù)值。由于準(zhǔn)雙曲面齒輪的復(fù)雜性，無法單純地依靠有限元模型模擬差速器殼體的受力情況，在導(dǎo)入Romax軟件后，可以準(zhǔn)確地反映出差速器在反拖工況下軸向力較大，通過Romax對比優(yōu)化前后的狀態(tài)，提供了優(yōu)化方向，優(yōu)化后的差速器總成順利地通過了臺架測試。