汽車主減速器殼體輕量化有限元分析

汽車主減速器殼體輕量化有限元分析作者：劉立萍趙濤朱東紅陳學(xué)峰摘要：主減速器殼體是驅(qū)動橋的重要部件之一，傳統(tǒng)主減速器殼體采用球墨鑄鐵材料，重量相對較重，隨著汽車產(chǎn)品輕量化要求的提高和新材料的發(fā)展，鋁鎂合金在汽車中的應(yīng)用越來越廣泛，本文介紹汽車主減速器殼體輕量化有限元分析。關(guān)鍵詞：減速器殼體輕量化有限元Nastran1前言有限元法是一種現(xiàn)代化的機構(gòu)設(shè)計計算方法，在一定的前提條件下，它可以計算各種機械零件的強度，表征任何部位的應(yīng)力和變形。從而成為汽車零部件優(yōu)化的重要工具。本文以主減速殼體為研究對象，用有限元方法計算不同材料和極限工況下主減速器殼體的應(yīng)力和變形，論證用鎂鋁合金替代球墨鑄鐵的可行性，在不降低性能的前提下減輕主減速器殼體重量。福田汽車多年來致力于汽車輕量化研究和改進，積累了大量經(jīng)驗，取得了可觀的經(jīng)濟效益。2主減速器相關(guān)設(shè)計參數(shù)整車相關(guān)設(shè)計參數(shù)如表2-1表2-1整車相關(guān)設(shè)計參數(shù)車型X脫動機最大輸出起建N*mX變速箱一檔速比變速箱倒檔速比后橋空載揪荷陸X酒載班荷Ks::輪距:nniX主減速比X減速齒輪相關(guān)設(shè)計參數(shù)如表2-2表2-2減速齒輪相關(guān)設(shè)計參數(shù)主動齒輪被動齒搶壓力有u:凸X床力弟口2凹X凹凸X螺蓋焉P:｛左疆）X睦長玲02（右璉｝X中點端簡分度151直棒、X中點端面分度倒直段此I面錐角Y:X根推弟丫2X驅(qū)動旋轉(zhuǎn)方向X驅(qū)動童轉(zhuǎn)方向X3主減速器殼體有限元模型3.1主減速器殼體的功能和類型主減速器殼體是主減速器的座艙，提供對主減速器的支承、防護，承受傳動軸、車架和道路傳遞的載荷。主減速器殼體根據(jù)主動齒輪的支承形式及安置方式的不同，分為懸臂式和騎馬式兩種。（1）懸臂式懸臂式是指主動齒輪以其輪齒大端的一側(cè)軸頸懸臂式地支承于一對軸承上。為了增強主減速器殼體的支承剛度，應(yīng)使兩軸承中心間的距離比齒輪齒面寬中點的懸臂長度大2倍以上。（2）騎馬式騎馬式是指齒輪前后兩端的軸頸均以軸承支承，故又稱為兩端支承。騎馬式支承使支承剛度大為增加，使齒輪在載荷作用下的變形大為減小。本文涉及的主減速器殼體的主動齒輪的支承形式為懸臂式。3.2主減速器殼體有限元模型為了準(zhǔn)確建立主減速器殼體的強度分析邊界條件，建立了包括主減速器托架、懸置和內(nèi)部齒輪的有限元分析模型，由于主減速器殼體和主減速器之間安裝有軸承，所以主減速器殼體和輸入輸出軸之間釋放旋轉(zhuǎn)自由度，且認為傳動軸傳遞的最大輸出扭矩和整個主減速器系統(tǒng)達

到了瞬時受力平衡。主減速器殼體采用四面體單元，其它實體類模型也都采用四面體單元，薄壁件采用殼單元，減速器懸置采用彈性單元，連接單元采用了rb2和rb3單元，同時計算和加載了輸入扭矩、輸出扭矩和齒面間的圓周力、徑向力和軸向力。有限元模型如圖3.1所示：圖3.1主減速器系統(tǒng)有限元模型圖3.1中，（a）為主減速器殼體；（b）主減速器懸掛及內(nèi)部齒輪。4材料參數(shù)減速器殼體材料參數(shù)如表4-1表4-1材料參數(shù)材料禪性模品泊松比密座屈匪梃限QT450-10E=210GPa03DENSnY=7800Kg''m3SlOMFa400MPiAZ91DE=70GPa0.35DENEEmOOKsm316OMPa230L-IPeQ235E=210GPaD3DENSmT=7800Kg'm323；MFa370MPL5邊界條件5.1行駛環(huán)境的影響車輛在道路行駛過程中，因道路環(huán)境和駕駛習(xí)慣的不同，使車輛經(jīng)常受到道路載荷的沖擊，受轉(zhuǎn)彎制動引起的慣性力沖擊，而這些沖擊與最大扭矩造成的影響相比相對很小，對主減速器殼體強度影響小，可以不予考慮。5.2最大扭矩的影響根據(jù)主減速器的功能和工作特點，在車輛一擋行駛和倒車時受最大扭矩作用，計算工況分別考慮了一擋和倒擋的扭矩。5.3減速器殼體材料的影響由于鋁鎂合金與球墨鑄鐵的彈性模量不同，計算應(yīng)力和變形有較大差距，計算工況考慮了材料的影響。5.4驅(qū)動橋類型的影響驅(qū)動橋分斷開式驅(qū)動橋和非斷開式驅(qū)動橋，兩種形式驅(qū)動橋半軸支承方式不同，與主減速器的連接方式不同，對減速器殼體強度影響較小。本文涉及斷開式驅(qū)動橋的主減速器殼體。5.5減速器殼體最終確定的計算工況一擋驅(qū)動、采用球墨鑄鐵材料的強度計算：一擋驅(qū)動、采用鋁鎂合金材料的強度計算：倒擋驅(qū)動、采用球墨鑄鐵材料的強度計算：倒擋驅(qū)動、采用鋁鎂合金材料的強度計算：6有限元分析計算和結(jié)果分析6.1強度計算根據(jù)設(shè)定的四種計算工況，用nastran計算應(yīng)力，用femfat計算安全系數(shù)，減速器殼體最大應(yīng)力和安全系數(shù)如下：減速器殼體應(yīng)力結(jié)果如表6-1,應(yīng)力云圖如圖6.1：

表6-1減速器殼體應(yīng)力計算結(jié)果計算工況最大應(yīng)力安全系數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)—擋驅(qū)動.采用球圈鑄跌村料ISOMPa1.5>1擋驅(qū)動.采用鋁鎂分金刺料127MPa>1但擋驅(qū)動.采用球墨精戢樹料530MFn0.9Ml倒擋驅(qū)動.采用鋁藻在金剃料2胸MPa*1ior^Fmmrl阪bm虬￥?1&ATlh叩■_!<血」皿E1■一”《11_0op|B||^lSLiBEAQE1■GRAVISS-rndK-DnIior^Fmmrl阪bm虬￥?1&ATlh叩■_!<血」皿E1■一”《11_0op|B||^lSLiBEAQE1■GRAVISS-rndK-DnIjBa*irWVUir-1?34￡0球QMqirRfit(fnjs^Kgll祀jamA71lhr■.^ILIu|fl—1WX^.-3.21!EO^T海皿H-iESE*ai—TI&IEFH翕—Z^iFlR?廿in?RfHHM：C-flrflwiRf刁mn尸I肺m%#街i巨Arh'inc^ilAyitii]f[1JtfcTff?"HE』？-.■jCblrni^^irriirjLSHfiii'n^Ji'Wrtin'ilidlV1JivIigqsrPli￡I&hfl轍㈣伽嘩恤?Jf.fftJiF.Jdhtdl5piiiamI?i'rliiiiri_flrrrtL^i^QAI/TV'rniiirt?l剪不職叩上虹Ioc廳Lsiiigl_河.opJ-ijp.wi：JyiniJ-KaniGqrrniiRgi3卬陌護“mag訴i司HlEwui!Jimiatbil印濟岫"|■rkuir^dr而麗」iihrngL字■?VrWPTV商jltlifl^DArimpi_ki&il_|[I1?27_dun_RM^BhK|Ei丁IjRaViGSmjlsriiirIFr.jirii"I從計算結(jié)果可以看出，采用球墨鑄鐵材料時，無論是一擋還是倒擋，極限工況最大應(yīng)力沒有超過材料的屈服極限；而采用鋁鎂合金材料時，在倒擋工況，最大極限應(yīng)力超過了材料的屈服極限，但沒有超過材料的強度極限?？紤]倒擋不是常用工況，且最大極限應(yīng)力沒有超過材料強度極限，減速器殼體在實物試驗支持下可以嘗試采用鋁鎂合金材料。

采用球墨鑄鐵材料和采用鋁鎂合金材料減速器殼體的重量對比如表6-2：表6-2采用球墨鑄鐵材料和采用鋁鎂合金材料減速器殼體的重量對比池濱黑殼體材料重量Cks)繭:fiM輕量＜kg)QTJ50-102013-通過重量對比可以看出，采用鋁鎂合金減速器殼體比球墨鑄鐵材料輕13公斤，有效地減輕了減速器殼體重量。6.2自由模態(tài)計算減速器殼體不僅要滿足強度要求，同時要滿足NVH要求，故計算了主減速器殼體的自由模態(tài)，主減速器殼體自由模態(tài)計算結(jié)果如表6-3表6-3自由模態(tài)計算結(jié)果

Iwdal+X一|AOAeO-rIwdal+X一|AOAeO-r力霓曲7結(jié)論本文建立了主減速器殼體的有限元分析模型，完成了