基于SolidWorks Simulation的某重卡車橋主減速器殼體力學(xué)分析及輕量化設(shè)計

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2204-5640-5398中圖分類號：TP13基金項目：本文系內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項目（項目名稱：基于逆向工程的某重型卡車驅(qū)動橋主減速器殼體優(yōu)化設(shè)計研究，項目編號：NJZY21103）。

作者簡介：孫瑩（1984—），女，碩士，副教授，研究方向為逆向工程。

摘要：主減速器殼體的輕量化設(shè)計是實現(xiàn)重卡車橋系統(tǒng)總成輕量化的關(guān)鍵渠道之一，主減速器殼體為精密鑄造件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作中受力也較為復(fù)雜，如果用傳統(tǒng)計算的方法顯然無法實現(xiàn)，本文通過SolidWorks軟件對掃描后的主減速器殼體三維模型進(jìn)行建模修復(fù)，通過材質(zhì)設(shè)定、邊界約束、施加負(fù)載，得到受力結(jié)果，進(jìn)而通過對結(jié)果的分析確定受力較小區(qū)域。對受力較小區(qū)域展開研究，在不影響制造工藝和裝配工藝的前提下，進(jìn)行輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過對重新設(shè)計的模型進(jìn)行力學(xué)分析，驗證了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可行性。

關(guān)鍵詞：減速機(jī)殼體??力學(xué)分析??輕量化設(shè)計??重卡車橋系統(tǒng)

中圖分類號：TP13

Mechanical Analysis and Lightweight Design of Main Reducer Shell of a Heavy Truck Axle Based on SolidWorks Simulation

SUN Ying

（Department of Mechanical Engineering， Baotou Vocational & Technical College， Baotou， Inner Mongolia Autonomous Region， 014030 China）

Abstract：?The lightweight design of the main reducer housing is one of the key channels to realize the lightweight of the heavy truck axle system assembly. The main reducer shell?is a precision casting， which has complex structure and complex stress in work. If it can not be realized by traditional calculation methods， this paper models and repairs the scanned three-dimensional model of the main reducer shell?through SolidWorks software， through material setting， boundary constraints and load application， the stress results are obtained， and then the area with small stress is determined through the analysis of the results. Study the area with small stress， and carry out lightweight structural design without affecting the manufacturing process and assembly process. Through the mechanical analysis of the redesigned model， the feasibility of structural optimization is verified.

Key Words： Reducer shell; Mechanical analysis; Lightweight design; Heavy truck axle system

隨著GB1589-2016的推出，重型卡車的輕量化成為了該行業(yè)發(fā)展更加明確的目標(biāo)。目前，我國的高速公路幾乎全部采用計重收費的方式，規(guī)定了允許車輛上路行駛的最大車貨重量，眼下如何既能提高載貨量，又能降低成本，成為了各大重卡企業(yè)研究的首要內(nèi)容，重卡企業(yè)只能在降低車身重量上絞盡腦汁、想辦法。主減速器殼體的輕量化設(shè)計是實現(xiàn)重卡車橋系統(tǒng)總成輕量化的關(guān)鍵渠道之一^[1-2]。

本文以某公司主減速器殼體為研究對象，該減速機(jī)殼體在優(yōu)化前自重為36.25kg，在對其掃描建模后，通過材質(zhì)設(shè)定、邊界約束、施加負(fù)載，得到受力結(jié)果，進(jìn)而通過對結(jié)果的分析確定受力較小區(qū)域。對受力較小區(qū)域展開研究，在不影響制造工藝和裝配工藝的前提下，進(jìn)行輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過對重新設(shè)計的模型進(jìn)行力學(xué)分析，驗證了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可行性，最終達(dá)到目前的33.11kg，成功減重近3.14kg。在助力國家的節(jié)能環(huán)保的同時，還可以大大地提高企業(yè)效益。

1 ?主減速器殼體介紹

減速器殼體作為汽車底盤非常重要的零件之一，它對差速器組件以及主、從動螺旋傘齒輪組件起著固定位置和支承的雙重作用，是一個受力情況比較復(fù)雜的部件，且結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜^[3]。

2 ?原減速器殼體有限元分析

有限元法（FEM，F(xiàn)inite Element Method）是一種為求解偏微分方程邊值問題近似解的數(shù)值技術(shù)。求解時對整個問題區(qū)域進(jìn)行分解，每個子區(qū)域都成為簡單的部分，這種簡單部分就稱作有限元。由于大多數(shù)實際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不但計算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段^[4]。

SolidWorks Simulation是一個與SolidWorks完全集成的設(shè)計分析系統(tǒng)。SolidWorks Simulation提供了單一屏幕解決方案來進(jìn)行應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析。為了體現(xiàn)設(shè)計仿真一體化的解決方案，在無縫集成界面做了創(chuàng)造性的改變，將仿真界面、仿真流程無縫融入SolidWorks的設(shè)計過程中。SolidWorks Simulation節(jié)省了搜索最佳設(shè)計所需的時間和精力，可大大縮短產(chǎn)品上市時間^[5]。

2.1殼體建模

利用SolidWorks軟件對三維掃描完成的主減速器殼體進(jìn)行修復(fù)，由于掃描完成后，對于加工面、受力面、固定面產(chǎn)生曲面形狀，在進(jìn)行力學(xué)分析時無法進(jìn)行約束施加和負(fù)載施加。對于修復(fù)的整個過程不是本文研究的重點，在此不再贅述。如圖2所示為主減速器殼體三維掃描后的三維模型。

圖3為經(jīng)過SolidWorks軟件修復(fù)和簡化后的三維模型，該模型適合進(jìn)行力學(xué)的分析。

2.2材料屬性設(shè)定

減速器橋殼主體及軸承蓋全部采用球墨鑄鐵的材質(zhì)^[6]。

2.3約束及負(fù)載情況

受力模型的約束應(yīng)與實際的約束相符，但是由于模型的約束狀態(tài)為理想狀態(tài)，經(jīng)過分析，確定了對主減速器殼體的加載和約束條件。根據(jù)實際情況，固定主減速器的下法蘭表面，對其進(jìn)行約束，如圖4所示。

主減速器殼體約束加載的邊界條件輸入，主要考慮在橋總成輸出最大扭矩時，即主從動錐齒輪傳遞最大扭矩工況下，主減速器殼體受主動錐齒輪的徑向力和軸向力共同作用而承受的載荷，其中徑向力和軸向力的大小可按下式計算得到：

2.4網(wǎng)格劃分

本主減速器殼體為實體結(jié)構(gòu)，同時兼顧運算的準(zhǔn)確率和效率，選用實體網(wǎng)格類型，采用兼顧粗細(xì)網(wǎng)格的基于混合曲率的網(wǎng)格器，重點區(qū)域采用細(xì)分網(wǎng)格，4點式雅克比，最大單元32.16，最小單元6.43，節(jié)點總數(shù)為26521個，單元總數(shù)為14322個，最大高寬比例為175.32，劃分后的網(wǎng)格如圖6所示。

2.5受力模擬及分析

經(jīng)過上述建模、材質(zhì)輸入、施加約束準(zhǔn)備工作后，對模型進(jìn)行加載后的力學(xué)計算，計算時間為2.2s。其受力結(jié)果如圖7所示。

從受力分析的結(jié)果來看，主減速器殼體最大受力部位為軸承蓋底部邊緣處，最大受力為145MPa，其余地方受力均在100MPa以內(nèi)，此受力結(jié)果相對于QT450-10本身的屈服強(qiáng)度310MPa，還有很大的受力裕度。

3 ?減速器殼體的輕量化設(shè)計

圖7的受力分析圖可以看出，該主減速器殼體的固定法蘭邊緣和下軸承法蘭部位應(yīng)力較小，所以輕量化設(shè)計從如下兩個部位入手。將目前法蘭厚度從原來的18mm，減薄為現(xiàn)在的16mm，把下軸承法蘭的圓形過渡部分厚度由原來的12mm，改為現(xiàn)在10.5mm，減重設(shè)計后三維模型如圖8所示，減重后，模型由原來的36.25kg變?yōu)槟壳暗?3.11kg，成功減重近3.14kg^[8]。對減重后的模型再重新進(jìn)行力學(xué)計算，如圖9所示。

從受力結(jié)果可以看出，輕量化后最大受力為184Mpa，法蘭盤位置受力為45MPa左右，下軸承法蘭過渡部分為105MPa左右，此受力結(jié)果相對于QT450-10本身的屈服強(qiáng)度310MPa，是完全可靠的^[9]。

4 ?結(jié)論

（1）通過SolidWorks軟件對減速器殼體掃描后的三維模型進(jìn)行優(yōu)化和簡化，形成適合力學(xué)分析的三維模型。

（2）對原模型進(jìn)行材料屬性定義、約束固定、負(fù)載施加，然后進(jìn)行計算，分析出受力較小的區(qū)域。

（3）對受力較小區(qū)域，進(jìn)行輕量化重新設(shè)計，模型由原來的36.25kg變?yōu)楝F(xiàn)在的33.11kg，成功減重近3.14kg。

（4）對輕量化后的模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，得出輕量化后的模型符合力學(xué)性能要求。

參 ?考 ?文 ?獻(xiàn)

[1]顧京君.雙剛輪諧波減速器傳動中扭轉(zhuǎn)剛度及動力學(xué)問題研究[D].上海：上海大學(xué)，2021.

[2] 隋景玉，劉均偉，王國元，等.重卡車橋主減速器殼體優(yōu)化設(shè)計及分析驗證[J].中國汽車，2020（6）：4-8.

[3]尹勇.工業(yè)機(jī)器人RV減速器傳動精度在線監(jiān)測與評級研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2021.

[4] 魏占國，劉晉浩.汽基于SolidWorks與有限元理論聯(lián)合采伐機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計方法[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，38（8）：111-114.

[5]吳波，陳春曉，徐勁力.汽車主減速器虛擬裝配中的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2021（9）：274-278，282.

[6] 周馳，彭錢磊，丁煒琦，等.汽車驅(qū)動橋主減速器支承剛度的有限元分析[J].汽車工程，2016，38（8）：981-988.

[7]賈冰.基于非線性混合模型的傳動軸-后橋系統(tǒng)耦合振動研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2019.

[8]鄭雅琳，黃鵬鵬，程洋.基于傳遞矩陣法的齒輪系統(tǒng)軸承跨距優(yōu)化研究[J].制造業(yè)自動化，2021，43（3）：99-104.

[9] 徐勁力，蘇星溢，徐維，等.主減速器主動齒輪軸承跨距的計算及仿真分析[J].機(jī)械設(shè)計與研究，2015，31（3）：55-60.