基于有限元分析的電驅(qū)動(dòng)商用車(chē)減速器殼體優(yōu)化設(shè)計(jì)

覃萬(wàn)龍 黃文聰

摘 要：隨著汽車(chē)電動(dòng)化的進(jìn)程日益加快，電驅(qū)動(dòng)城市物流商用車(chē)已成為了市場(chǎng)上一個(gè)重要車(chē)型。作為城市物流車(chē)的核心零部件，減速器的性能穩(wěn)定變得至關(guān)重要。而減速器殼體在減速器運(yùn)行中起到支撐保護(hù)功能，會(huì)受到多種重力負(fù)荷的作用。在面對(duì)電驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下出現(xiàn)的復(fù)雜轉(zhuǎn)速及扭矩工況時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)減速器殼體因應(yīng)力集中受損、軸承因潤(rùn)滑不足燒蝕等多種問(wèn)題。減速器殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響到減速器總成的整體性能與可靠性。本文主要采用Masta、Particleworks軟件，對(duì)電驅(qū)動(dòng)商用車(chē)的減速器殼體進(jìn)行有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。并搭載后橋總成進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果證明，所優(yōu)化設(shè)計(jì)的減速器殼體符合相關(guān)汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際應(yīng)用需求。通過(guò)這一實(shí)用方法，提高了減速器殼體的強(qiáng)度、剛度及減速器總成軸承潤(rùn)滑能力。為電驅(qū)動(dòng)商用車(chē)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。也為后續(xù)電驅(qū)動(dòng)后橋總成零部件開(kāi)發(fā)及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了思路。

關(guān)鍵詞：電驅(qū)動(dòng)商用車(chē) 減速器殼體 有限元分析 優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 引言

新能源汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)功能是將電動(dòng)機(jī)總成的動(dòng)力傳遞到驅(qū)動(dòng)車(chē)輪。其傳動(dòng)系統(tǒng)主要由集成減速器、差速器、電動(dòng)機(jī)的電驅(qū)動(dòng)橋總成組成。減速器能改變電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速特性，使電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩增大、輸出轉(zhuǎn)速下降以適應(yīng)汽車(chē)的實(shí)際行駛需求。

為達(dá)到降速增扭的功能，電驅(qū)動(dòng)減速器總成普遍采用三級(jí)平行軸齒輪設(shè)計(jì)。圖1是某款電驅(qū)動(dòng)減速器總成，結(jié)構(gòu)主要由減速器殼體、差速器總成、輸入軸齒輪、中間軸齒輪、差速器齒輪、圓錐滾子軸承、油封、堵蓋等零件組成。由于電動(dòng)機(jī)峰值輸出扭矩大、轉(zhuǎn)速高的特性，會(huì)造成減速器總成因潤(rùn)滑不足導(dǎo)致軸承燒蝕、減速器殼體破損的情況[1]。因此需將分析設(shè)計(jì)工作前置，解決相關(guān)技術(shù)問(wèn)題。

傳統(tǒng)的減速器殼體設(shè)計(jì)往往依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)與試錯(cuò)，設(shè)計(jì)及優(yōu)化改進(jìn)周期長(zhǎng)，成本高。本文采用Masta、Particleworks軟件進(jìn)行電驅(qū)動(dòng)商用車(chē)減速器殼體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，旨在縮短設(shè)計(jì)周期，提高減速器的性能，對(duì)電驅(qū)動(dòng)商用車(chē)零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了探析與實(shí)踐。

2 減速器殼體方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

為保證該款電驅(qū)動(dòng)減速器總成在傳動(dòng)過(guò)程中平穩(wěn)運(yùn)行，各零部件穩(wěn)定高效工作。在優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)著重提高變速器總成攪油飛濺潤(rùn)滑的效果。并提高減速器殼體的整體強(qiáng)度及剛度，減少應(yīng)力集中區(qū)域。為達(dá)到此方案目標(biāo)，在原有減速器殼體基礎(chǔ)上，新增外部加強(qiáng)筋及內(nèi)部導(dǎo)流筋，優(yōu)化前后方案詳見(jiàn)圖2至圖5。該減速器殼體詳細(xì)參數(shù)如下：⑴材料為QT500-7，密度為7.2g/cm3；屈服強(qiáng)度320Mpa，抗拉強(qiáng)度500Mpa，斷裂伸長(zhǎng)率為8%；⑵尺寸參數(shù)為350mm*255mm*255mm；⑶平均壁厚為6mm；⑷拔模角度為1°～3°。

3 減速器殼體有限元分析

利用UG三維建模軟件對(duì)原有模型進(jìn)行詳細(xì)優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后將其裝配至現(xiàn)有減速器總成。再將生成的stp格式數(shù)模文件導(dǎo)入Particleworks有限元分析軟件。模擬上訴減速器總成方案在齒輪傳動(dòng)過(guò)程中油流潤(rùn)滑情況。根據(jù)流體力學(xué)分析結(jié)果正向反饋，再對(duì)減速器殼體進(jìn)行設(shè)計(jì)修改。在運(yùn)用Particleworks及UG軟件多次分析修改模型后，得出鎖定版數(shù)據(jù)。減速器油流分析具體工況設(shè)置見(jiàn)表1。所使用潤(rùn)滑油牌號(hào)為75W-90 GL-5重負(fù)荷齒輪油。在30km/h及80km/h兩種工況下，減速器殼體優(yōu)化后導(dǎo)致齒輪攪油飛濺潤(rùn)滑的分析結(jié)果詳見(jiàn)圖6、圖7。優(yōu)化后的減速器殼體通過(guò)合理布置內(nèi)部加強(qiáng)筋，使差速器齒輪高速旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)的齒輪油液，更充分的潤(rùn)滑了減速器總成。具體來(lái)說(shuō)，在高速及低速兩種工況下，使變速器總成輸出軸、中間軸、差速器軸承及齒輪在仿真分析中充滿(mǎn)了齒輪油液。滿(mǎn)足了齒輪及軸承在復(fù)雜工況下應(yīng)充分潤(rùn)滑的要求[2]。減少了因齒輪油潤(rùn)滑不足導(dǎo)致變速器及差速器軸承燒蝕失效等問(wèn)題。提高了變速箱總成在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定性及可靠性[3]。

此外，運(yùn)用Masta軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析，模擬上訴減速器總成方案在加載條件下減速器殼體的應(yīng)力分布及變形情況。具體輸入?yún)?shù)如下：電機(jī)峰值扭矩為240N·m，速比11.3。強(qiáng)度分析結(jié)果如表2，減速器殼體最大處應(yīng)力由210Mpa降低至116Mpa。由材料QT500-7的屈服極限值計(jì)算出安全系數(shù)由2.38升至4.31，所設(shè)計(jì)的減速器殼體安全系數(shù)得到了進(jìn)一步提高。剛度分析結(jié)果如表3，減速器殼體最大變形量由138.2μm降至81.1μm，從而導(dǎo)致各級(jí)齒輪軸承變形量也得到相應(yīng)減小，剛度性能指標(biāo)提升較大。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了減速器殼體整體強(qiáng)度與剛度。提高了變速器總成在極限轉(zhuǎn)速工況及重負(fù)荷承載下，減速器殼體尺寸超差進(jìn)而導(dǎo)致變形損壞的問(wèn)題。

4 減速器殼體臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 1022-2015《純電動(dòng)乘用車(chē)用減速器總成技術(shù)條件》，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的減速器殼，搭載后驅(qū)動(dòng)橋總成進(jìn)行4臺(tái)次疲勞壽命臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)分10個(gè)循環(huán)進(jìn)行。根據(jù)下例公式計(jì)算出最大功率點(diǎn)轉(zhuǎn)速及最大功率點(diǎn)扭矩等參數(shù)，具體試驗(yàn)條件如表4。

式中：T為軸所受的扭矩（N.m）；P為軸所傳遞功率（KW）；n為軸的轉(zhuǎn)速（r/min）。

試驗(yàn)完成后，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋總成進(jìn)行拆檢分析報(bào)告。根據(jù)分析報(bào)告結(jié)果顯示，減速器總成無(wú)滲漏油現(xiàn)象，減速器殼體上沒(méi)有產(chǎn)生裂紋，螺栓連接狀態(tài)完好，各軸承位置潤(rùn)滑充分且無(wú)燒蝕情況。疲勞壽命臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明該減速器殼體符合標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用需求。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，該減速器殼體的性能得到了較大提升。優(yōu)化后的減速器殼體在滿(mǎn)載軸荷2噸的情況下，最大應(yīng)力值降低45%，最大變形量減少了41%，各齒輪軸承位置潤(rùn)滑充分。最后經(jīng)過(guò)相應(yīng)臺(tái)架試驗(yàn)，證明所設(shè)計(jì)的減速器殼體滿(mǎn)足預(yù)期方案目標(biāo)。優(yōu)化后的減速器殼體表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性和可靠性。為整車(chē)的行駛安全性提供了有力保障。在本文中，減速器殼在開(kāi)發(fā)早期通過(guò)UG軟件建立減速器殼的三維模型，然后借助Masta及Particleworks仿真軟件對(duì)其加強(qiáng)筋及導(dǎo)流筋布置進(jìn)行多次優(yōu)化，最終確定合理的結(jié)構(gòu)形式，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)改進(jìn)周期，為后續(xù)電驅(qū)動(dòng)后橋總成零部件開(kāi)發(fā)及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了思路。

參考文獻(xiàn)：

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