基于有限元法的輪邊齒輪箱破裂分析及改進(jìn)*

雍 躍,陳 慧,賴曉麗

(1.重慶嘉陵全域機(jī)動車輛有限公司，重慶 402760； 2.陸軍裝備部駐重慶地區(qū)第六軍代室,重慶 402760)

0 引 言

某全形車是公司研發(fā)的串聯(lián)式混合動力6×6全地形車。輪邊齒輪箱是整個動力傳輸鏈中不可或缺的一環(huán)，6個車輪每個車輪對應(yīng)一個輪邊齒輪箱，輪邊齒輪箱如果出故障，則動力傳遞中斷。

該車有較迫切的上市需求，但按照公司開發(fā)程序要求，該車必須通過10 000 km可靠性試驗才能上市?？煽啃栽囼灠凑崭咚侪h(huán)道、山路、強(qiáng)化路、越野路四種路況依次進(jìn)行，對零部件的強(qiáng)度要求也依次越來越高。該車在進(jìn)行到可靠性試驗越野路面初期時，左右兩側(cè)輪邊齒輪箱的上、下邊均出現(xiàn)了不同程度破裂，可靠性試驗被迫中斷。

有限元軟件被許多學(xué)者應(yīng)用于結(jié)構(gòu)斷裂問題分析中[1-2]。筆者基于有限元法對路試中破裂的輪邊齒輪箱模型進(jìn)行強(qiáng)度計算，分析破裂原因，提出了結(jié)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)建議，并確認(rèn)改進(jìn)方案強(qiáng)度符合可靠性試驗設(shè)計要求，實現(xiàn)了對故障的快速診斷和解決。

1 基于有限元法的故障分析

輪邊齒輪箱實物破裂圖片，以及破裂位置在CAD模型中的對應(yīng)區(qū)域如圖1所示。

圖1 輪邊齒輪箱破裂實物與模型對比圖

車輛的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，輪邊齒輪箱內(nèi)承載的齒輪軸末端直接連接車輪，輪邊齒輪箱在保證齒輪軸傳遞扭矩的同時，還承擔(dān)常規(guī)乘用車懸架的作用，輪邊齒輪箱的負(fù)荷會比一般常用傳動箱要高。

輪邊齒輪箱破裂發(fā)生在越野路況初期，越野路面相對直線平順路面工況更復(fù)雜，除了直線行駛的路面阻力、風(fēng)阻、加減速慣性力外，還會有沖擊、跌落、高速轉(zhuǎn)向工況，越野路況是可靠性試驗中最惡劣的工況，車輛零部件要經(jīng)受極限載荷的考驗，特別是由于該車的特殊性，需承受的沖擊是在車輛無減震的情況下。

此外試驗中破裂的箱體方案前期經(jīng)過了一輪減重設(shè)計，不排除設(shè)計時對極限工況下的負(fù)荷考慮不全面，箱體強(qiáng)度不足以滿足越野路況負(fù)荷要求。

因此有必要對箱體進(jìn)行強(qiáng)度校核。輪邊齒輪箱結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的不規(guī)則體，傳統(tǒng)的力學(xué)算法不能精確計算箱體受力，適合采用有限元法，計算箱體受力，分析故障原因和改進(jìn)計算[3-4]。

1.1 有限元模型建立

由于項目時間緊迫，有限元計算采用了適合工程問題計算，能與箱體CAD設(shè)計無縫銜接的CATIA分析工具，以達(dá)到保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性和快速求解的目的。

考慮到計算的成本，建模時選取了車輛的一個輪邊齒輪箱，重點(diǎn)分析破裂側(cè)箱體。對齒輪軸連接的輪胎做簡化處理，以一個與車輪同直徑的圓盤代替。由于用于安裝輪邊齒輪箱的車架會參與受力變形，截取了與箱體相連接的部分車架，車架的其它部分忽略。簡易車輪與齒輪軸端面法蘭剛性連接，箱體通過螺栓模型將外圍14個安裝螺栓孔與車架底板連接，并根據(jù)實際緊固要求設(shè)置螺栓預(yù)緊力,建立裝配體分析模型。模型采用一階四面體單元，對結(jié)構(gòu)突變和箱體破裂區(qū)域做了網(wǎng)格細(xì)化處理。箱體網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 輪邊齒輪箱計算網(wǎng)格模型

1.2 材料特性

輪邊齒輪箱材料是ZL101A，力學(xué)性能參數(shù)如下：彈性模量70 000 MPa，泊松比0.346，抗拉強(qiáng)度275 MPa，屈服強(qiáng)度160～180 MPa。車架底板、齒輪軸、簡易輪材料為鋼，力學(xué)性能參數(shù)如下：彈性模量210 000 MPa，泊松比0.3。

1.3 載荷及邊界條件施加

計算時全約束簡化車架外圍和背板支架，模擬中組合各種工況載荷，計算了七種工況，本文主要分析最惡劣的極限工況，即在齒輪軸正常傳遞扭矩情況下，同時考慮跌落、沖擊、急速轉(zhuǎn)彎載荷，以Distributed Force、bearing Load方式加載。

1.4 計算結(jié)果

通過有限元求解器，對在試驗中損壞的輪邊齒輪箱方案進(jìn)行了強(qiáng)度模擬計算，箱體在極限工況下的應(yīng)力云圖如圖3所示。

根據(jù)材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論校核箱體強(qiáng)度，箱體材料屈服極限取下限160 MPa，由于載荷中已考慮安全系數(shù)，以屈服極限作為設(shè)計許用應(yīng)力，即160 MPa。從圖3應(yīng)力云圖中可以看出，在極限工況下，輪邊齒輪箱的最大應(yīng)力達(dá)320 MPa，遠(yuǎn)大于箱體的許用應(yīng)力，應(yīng)力集中現(xiàn)象非常明顯，箱體強(qiáng)度達(dá)不到使用工況要求。并且高應(yīng)力區(qū)域與箱體實物破裂位置非常吻合，即在上、下側(cè)加強(qiáng)筋底部，與安裝螺栓連接的區(qū)域。這也證明了輪邊齒輪箱有限元模型的合理性和精確性。

圖3 輪邊齒輪箱極限工況下的應(yīng)力云圖

2 結(jié)合有限元計算的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

嘗試多種提高箱體強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)，采用與原方案相同的有限元建模方法，對各改進(jìn)方案的箱體進(jìn)行了有限元計算，在首先滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，實現(xiàn)輕量化設(shè)計的設(shè)計原則下[5]，分析出兩種方便實施且可有效提高箱體強(qiáng)度的改進(jìn)方向。

改進(jìn)方向一是將加強(qiáng)筋向箱體板邊沿延伸。箱體加強(qiáng)筋承載著箱體的主要受力，由于加強(qiáng)筋的分布在前期設(shè)計中經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化確定，因此對加強(qiáng)筋的分布方向不再做調(diào)整，通過外延加強(qiáng)筋，加大了傘形加強(qiáng)筋的展角，當(dāng)箱體承受以齒輪軸旋轉(zhuǎn)中心為軸線的徑向載荷時，起到降低加強(qiáng)筋內(nèi)部受力的作用。將加強(qiáng)筋向箱體板邊沿延伸的結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 延伸加強(qiáng)筋改前、改后結(jié)構(gòu)對比

加強(qiáng)筋延長后的箱體應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 延伸加強(qiáng)筋后箱體應(yīng)力云圖

從計算結(jié)果看，加強(qiáng)筋延伸后，破裂區(qū)域的應(yīng)力值明顯降低，在與改前箱體相同的極限工況負(fù)荷下，箱體最大應(yīng)力由320 MPa降到了180 MPa。

改進(jìn)方向二是增厚箱體與車架連接用的安裝螺栓孔區(qū)域，箱體破裂發(fā)生在加強(qiáng)筋和安裝螺栓孔相連區(qū)域，增厚該區(qū)域，可緩解螺栓預(yù)緊及加強(qiáng)筋負(fù)載綜合作用時的應(yīng)力集中。在上、下邊安裝螺栓孔區(qū)域增厚的示意圖如圖6所示。

圖6 增厚安裝螺栓孔區(qū)域示意圖

安裝螺栓孔區(qū)域增厚以后的箱體應(yīng)力云圖如圖7所示，從計算結(jié)果看，增厚螺栓孔區(qū)域后，破裂區(qū)域的應(yīng)力值也明顯降低，在與改前相同的極限工況下，箱體最大應(yīng)力由320 MPa降到了182 MPa。

圖7 增厚安裝螺栓孔區(qū)域箱體應(yīng)力云圖

結(jié)合以上兩個可有效提高箱體強(qiáng)度的改進(jìn)方向，在盡量控制箱體質(zhì)量增加量，并綜合考慮輪邊齒輪箱工藝、裝配等可行性的條件下，設(shè)計了最終的改進(jìn)方案，以分叉方式延長加強(qiáng)筋，以避免安裝螺栓裝配困難。在保持螺栓座孔外徑不變的前提下增加螺栓孔區(qū)域厚度，增厚區(qū)域與周邊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)圓滑過渡。改后方案結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 改前、改后方案結(jié)構(gòu)示意圖

對改后結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元強(qiáng)度校核計算，改后箱體應(yīng)力云圖如圖9所示，從圖中可以看出，箱體在極限工況下，原箱體破裂區(qū)域應(yīng)力值明顯降低，并且也沒明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，箱體最大應(yīng)力由改前的320MPa降到了146 MPa，最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，符合設(shè)計強(qiáng)度要求。

圖9 改后箱體應(yīng)力云圖

3 改進(jìn)方案試驗驗證

對經(jīng)過有限元強(qiáng)度校核的箱體改后方案進(jìn)行了樣件試制，樣件首先在專用臺架上進(jìn)行單品試驗，改前的箱體試驗次數(shù)不超過5 000次就會破壞，并且損壞位置和可靠性試驗中的破裂位置一致。改后的箱體試驗次數(shù)達(dá)到了規(guī)定的80萬次試驗要求，并且試驗完成時箱體未損壞。

將通過單品試驗的改后輪邊齒輪箱裝上實車，重新進(jìn)行了可靠性試驗評估，車輛再次按高速環(huán)道、山路、強(qiáng)化路和越野路四種路況順序進(jìn)行，最終改后箱體順利通過所有路況，一次性完成可靠性試驗驗證。

4 結(jié) 論

通過對某全地形車輪邊齒輪箱進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化改進(jìn)，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 基于有限元計算分析出的箱體薄弱點(diǎn)和實物破裂位置吻合，并且計算結(jié)果顯示，在極限負(fù)荷下，箱體強(qiáng)度低于材料許用應(yīng)力是箱體破裂的重要原因。

(2) 通過結(jié)合有限元計算的方案對比，提出延長加強(qiáng)筋和增厚箱體安裝螺栓孔區(qū)域兩個可有效提高箱體強(qiáng)度的改進(jìn)建議。

(3) 優(yōu)化后的輪邊齒輪箱通過了單品試驗和最終的實車可靠性試驗驗證。

(4) 有限元方法與3D設(shè)計的有效結(jié)合，是實現(xiàn)對工程故障快速原因診斷和問題解決的有效途徑之一。