前驅(qū)動(dòng)橋主減速殼蓋有限元分析

饒劍文

江西江鈴底盤股份有限公司 江西撫州 344000

前驅(qū)動(dòng)橋用在越野汽車和一些轎車的上，既是轉(zhuǎn)向橋又是驅(qū)動(dòng)橋。其主減速器的殼體與殼蓋結(jié)合面的設(shè)計(jì)，要滿足一定的強(qiáng)度和密封性要求，密封性不好嚴(yán)重影響減速器軸承的潤(rùn)滑和齒輪疲勞壽命。為了實(shí)現(xiàn)汽車零部件輕量化要求，主減速殼采用了高壓鑄造鋁合金材料。為了驗(yàn)證鋁合金材料及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可行性，本文通過(guò)有限元分析法，對(duì)主減速殼蓋進(jìn)行了強(qiáng)度和密封性的分析校核。

設(shè)計(jì)要求

主減速器殼體采用了高壓鑄造鋁合金材料，代號(hào)為YL113。對(duì)比普通鑄鐵材料，高壓鋁合金鑄件的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在尺寸精度高、表面質(zhì)量好，可以生產(chǎn)出各種形狀復(fù)雜、難度較大的產(chǎn)品并具有良好的沖擊韌性，結(jié)構(gòu)組織致密，強(qiáng)度、硬度及耐磨性較高。高壓鑄造鋁合金材料廣泛用于結(jié)構(gòu)件，如殼體、缸體、箱體以及框架等。主減速器殼由殼體和殼蓋組成，在結(jié)合面涂覆平面密封膠，通過(guò)螺栓聯(lián)接，以保證整個(gè)主減速器殼體和殼蓋的密封性。殼蓋材料屬性見(jiàn)表1。

表1 殼蓋材料屬性

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)要求，加載后其塑性應(yīng)變應(yīng)小于0.75%；密封性設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，加載后密封面的間隙應(yīng)小于0.05mm；允許密封面的局部區(qū)域間隙大于0.05mm，但不能貫穿殼蓋徑向?qū)挾取?/p>

有限元模型及約束

發(fā)動(dòng)機(jī)一擋最大輸出扭矩為1010Ng m，汽車安全系數(shù)為1.8，按輸入扭矩1818Ng m（1010×1.8）為設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行評(píng)估。殼體與殼蓋之間設(shè)置有預(yù)緊力載荷的螺栓連接，扭矩系數(shù)為0.2。用UGNX建立產(chǎn)品三維數(shù)模，通過(guò)前處理ANSA軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)軟件MASTA中建立前驅(qū)動(dòng)橋模型，計(jì)算并輸出在設(shè)計(jì)載荷作用下，內(nèi)部各軸承連接點(diǎn)的內(nèi)力，以作為前橋結(jié)構(gòu)CAE分析的載荷輸入。約束方式的固定點(diǎn)及數(shù)模如圖1所示，為前橋懸置連接點(diǎn)固定約束。

圖1 前橋懸置連接點(diǎn)固定約束

ABAQUS有限元分析

ABAQUS是功能強(qiáng)大的有限元軟件，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，模擬非常龐大復(fù)雜的模型，處理高度非線性問(wèn)題。

（1）前處理 是定義物理問(wèn)題的模型，并生成一個(gè)ABAQUS輸入文件。分析計(jì)算使用ABAQUS/Standard求解輸入文件中所定義的數(shù)值模型，結(jié)果保存載二進(jìn)制文件中以便后處理。

（2）后處理 用各種方法顯示分析結(jié)果，包括彩色云紋圖、動(dòng)畫、變形圖以及X-Y曲線圖等，本文采用彩色云紋圖。

1.強(qiáng)度分析一

在設(shè)計(jì)載荷作用下，殼蓋的強(qiáng)度應(yīng)力云圖，如圖2所示，由計(jì)算結(jié)果可以看出殼蓋最大應(yīng)力161.3MPa，位于螺栓孔處。

圖2 殼蓋的強(qiáng)度應(yīng)力云圖

其中，S代表應(yīng)力，Mises位等效應(yīng)力。"Von Mises Stress"被習(xí)慣性稱為“Mises等效應(yīng)力”，它遵循材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論（形狀改變比能理論）。Avg，表示平均值。

2.強(qiáng)度分析二

在設(shè)計(jì)載荷作用下，殼蓋的塑性應(yīng)變?cè)茍D，如圖3所示，其中，PEEQ表示“等效塑性應(yīng)變”。由計(jì)算結(jié)果可以看出殼蓋最大塑性應(yīng)變0.10%，位于螺栓安裝面凸出邊緣。

圖3 殼蓋的塑性應(yīng)變?cè)茍D

3.結(jié)合面密封性分析

在設(shè)計(jì)載荷作用下，殼蓋的密封性云圖，如圖4所示，其中，COPEN表示“接觸間距”，正值為“間距值”，負(fù)值為“穿透值”。由計(jì)算結(jié)果可以看出殼蓋最大密封面間隙0.039mm，位于殼蓋上部的螺栓安裝面內(nèi)側(cè)邊緣。

圖4 殼蓋的密封性云圖

4.綜合分析

分析結(jié)果匯總，見(jiàn)表2。

表2 分析結(jié)果匯總

臺(tái)架驗(yàn)證

汽車各零部件產(chǎn)品臺(tái)架試驗(yàn)是產(chǎn)品研制階段的重要環(huán)節(jié)。它不僅用于測(cè)試整個(gè)開發(fā)產(chǎn)品及相關(guān)部件的可靠性，還用于驗(yàn)證產(chǎn)品的性能是否達(dá)到原設(shè)計(jì)指標(biāo)。因此，產(chǎn)品在成功量產(chǎn)前，大量的臺(tái)架試驗(yàn)是必不可少的。產(chǎn)品樣件試制完后，按新產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證計(jì)劃（DVP計(jì)劃指Design Verification Plan），試驗(yàn)按設(shè)計(jì)輸入扭矩1818Ng m，同有限元分析加載，進(jìn)行了總成疲勞和總成靜扭臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果也滿足設(shè)計(jì)要求，總成疲勞臺(tái)架試驗(yàn)如圖5所示，總成靜扭臺(tái)架試驗(yàn)如圖6所示。

圖5 總成疲勞臺(tái)架試驗(yàn)

圖6 總成靜扭臺(tái)架試驗(yàn)

結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)ABAQUS軟件建立結(jié)構(gòu)有限元模型，對(duì)減速器殼蓋鋁合金的材料進(jìn)行強(qiáng)度和密封性分析，與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，證明了該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選擇材料的可行性，為后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)及優(yōu)化提供了可信的仿真技術(shù)支持。也有效地節(jié)約了產(chǎn)品性能測(cè)試的試驗(yàn)費(fèi)用，從而減少開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，避免量產(chǎn)后出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)也說(shuō)明選用該鋁合金材料，可實(shí)現(xiàn)零部件的結(jié)構(gòu)輕量化。