基于傳動CAE分析與MSC.Nastran的某商用車橋主減總成正向設計

何維聰，張龍，鄭小艷

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

基于傳動CAE分析與MSC.Nastran的某商用車橋主減總成正向設計

何維聰，張龍，鄭小艷

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

采用傳動CAE分析與MSC.Nastran相結合的技術對某商用車橋主減總成進行正向設計。在錐齒輪和軸承初步設計完成后，通過傳動CAE分析軟件建立主減總成分析模型并計算，調整錐齒輪和軸承的設計參數使其符合要求并最終定型，采用包絡設計完成相關殼體件的三維建模。使用子結構法從MSC.Nastran中提取差殼、減殼和橋殼等殼體的剛度矩陣和節點位置信息，在傳動CAE分析軟件中建立整橋仿真分析模型并進行柔性分析，得到考慮差殼、減殼和橋殼等殼體實際剛度的錐齒輪安全系數，將分析得到的數據作為邊界條件導入有限元模型中，得到滿足強度和剛度要求下的最優設計。

商用車橋主減總成；正向設計；有限元分析；傳動柔性分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.016

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-46-03

引言

創新是國家和企業發展的生命源泉，通過正向設計能夠在產品頂層實現創新驅動，從而掌握車橋設計的關鍵和核心技術，這是走車橋自主創新的必然之路。

通過定義客戶需求，進行錐齒輪和軸承的初步設計，在傳動CAE分析軟件建立分析模型并完成傳動分析，根據計算結果選出齒輪和軸承的最優參數。利用傳動CAE分析軟件中的結構柔性模塊，工程設計人員可以在各種工況下精確地計算齒輪和軸承的錯位量、受力和安全系數等參數，還可以借助MSC.Nastran計算殼體的最大應力和變形量等信息。該方法在進行殼體有限元分析時能得到準確的軸承受力邊界條件，并能得到考慮殼體實際剛度的齒輪安全系數，提高了分析結果的準確性。通過這種由內而外的正向設計，極大的提高了設計效率。

1、傳動件設計

1.1 準雙曲面齒輪設計

首先，確定基本參數。已知大輪轉矩Tj和主減速比i0范圍，可確定大輪大端分度圓直徑d2，小輪齒數z1、大輪齒數z2。根據經驗公式可確定小輪偏置距E、大輪大端端面模數mt2。通過計算大輪分度錐角初值δ20和大輪大端錐距初值Re2，得到大輪齒寬b2。根據d2的值選擇相應的刀盤半徑r0，重型載貨車錐齒輪平均壓力角α取22.5°，小輪參考點螺旋角β1取45°[1]。

然后，進行錐齒輪幾何設計。用迭代法確定準雙曲面齒輪的節錐，采用多次迭代以保證準雙曲面齒輪中點的極限曲率半徑與刀盤半徑的差值在1%以內。以節錐面幾何參數為基礎，確定大輪和小輪的輪坯尺寸。

最后，校核齒輪強度。采用格里森法為基礎的強度計算法對齒根彎曲強度、齒面接觸強度進行校核，校核結果若安全系數不足或壽命達不到要求，對上述參數進行調整，直至理論校核合格。

1.2 差速器設計

選用對稱式圓錐行星齒輪差速器，4個行星齒輪，根據大輪轉矩Tj、經驗公式及現有差速器尺寸確定行星輪球面半徑RB，節錐距A0，根據推薦值確定行星齒輪齒數z1、半軸齒輪齒數z2、模數m和大端分度圓直徑d，壓力角選用25 °，確定行星輪安裝孔直徑φ和孔深L，完成錐齒輪幾何設計[2]。在差速器內齒輪設計完成后，可進行差殼初步設計。

1.3 軸承設計

小輪采用騎馬式支承以獲得較好的支承剛度，裝于齒輪大端側軸頸上的軸承，采用兩個背對背安裝的圓錐滾子軸承，裝于齒輪小端側軸頸上的軸承為導向軸承，采用圓柱滾子軸承，軸承的型號可根據齒輪尺寸和載荷初步選定。大輪通過差殼采用兩個面對面的圓錐滾子軸承進行支承，軸承型號可根據差速器、差殼結構尺寸初步選定，后續可根據傳動分析結果進行調整優化。

2、傳動CAE分析模型建立

傳動CAE分析軟件具有強大的參數化建模和智能設計功能，只需要輸入參數或對相關參數進行修改便可完成建模，對模型施加正確的載荷，就能進行系統總體變形下的強度校核計算。運用傳動CAE分析軟件建立某商用車橋總成三維模型，如圖1所示。

圖1 傳動CAE分析三維模型

通過傳動CAE分析軟件校核錐齒輪、軸承、差速器等主要傳動件的安全系數，優化齒輪和軸承設計參數，獲得滿足設計要求的最優齒輪參數和軸承型號，在傳動系設計定型后，即可進行主減速器殼、差速器殼、橋殼等殼體件的三維設計，殼體主要采用包絡設計。

3、剛度矩陣的求解

3.1 有限元模型的建立

由于差殼、減殼和橋殼等殼體結構比較復雜，因而采用Pro/E軟件建造三維實體模型。考慮到計算分析的需要，對實體作了必要的幾何清理，例如去除小倒角、小圓角以及不影響結構的臺階和小圓孔等。

將經過幾何清理后的差殼、減殼和橋殼相關零件模型導入MSC.Nastran，分別建立軸承內、外圈模型，如圖2、3所示。

圖2 差殼相關零件幾何模型

圖3 減殼、橋殼相關零件幾何模型

采用四面體實體單元對各個殼體進行網格化分，螺栓連接處采用rbe2連接的方式處理，過盈配合處采用共用節點的方式處理，差殼、減殼和橋殼等殼體的有限元模型分別如圖4、5所示。

圖4 差速器殼有限元模型

圖5 減殼、橋殼有限元模型

差殼、減殼和橋殼的材料屬性見表1。

表1 差殼、減殼和橋殼的材料屬性

3.2 剛度矩陣的提取

運用子結構分析法求解差殼、減殼和橋殼等殼體的剛度矩陣。所謂子結構技術就是將一組單元用矩陣凝聚為一個單元過程的技術，這個單元稱為超單元。用一個節點的運動控制整個目標面的運動，稱該節點為凝聚節點[3]。

根據整橋傳動CAE分析模型，設定9個凝聚節點：主錐前、中、后軸承中點3個、差殼軸承中點2個和輪轂軸承中點4個。定義并固定這9個凝聚節點，運用子結構分析法提取減殼剛度矩陣和節點位置信息。

提取差殼、減殼和橋殼等殼體的剛度矩陣和節點位置信息的步驟，如圖6所示。

圖6 提取剛度矩陣和節點位置信息步驟

4、傳動CAE分析柔性模塊

4.1 柔性模塊傳動CAE分析模型

將差殼、減殼和橋殼等殼體的三維模型以及在MSC. Nastran中提取的剛度矩陣和節點位置信息導入傳動CAE分析模型中，并且建立相應的聯結，得到的柔性模塊傳動CAE分析三維模型。

4.2 傳動CAE分析結果

額定輸出扭矩工況下，在傳動CAE分析軟件中運行系統變形分析，可以得到考慮差殼、減殼和橋殼等殼體實際剛度情況下主減速器錐齒輪的安全系數報告，如表2所示。

表2 主減速器錐齒輪安全系數

5、殼體有限元分析

通過傳動CAE分析軟件，計算得到最大輸入轉矩工況下車橋總成的系統變形分析結果。通過傳動CAE分析軟件計算出施加在差殼、減殼和橋殼等殼體各凝聚節點上的受力情況，將其作為邊界條件[4]，導入MSC.Nastran中進行靜力分析，就可以得到殼體的應力分布云圖，如圖7、8所示。

圖7 差速器殼應力云圖

圖8 減速器殼應力云圖

殼體最大應力如表3所示。根據應力分析結果可知：差殼和減殼關注區域最大應力都小于屈服強度，應力水平處于安全范圍內。

表3 殼體最大應力

5、結論

本文通過傳動CAE分析與MSC.Nastran的相互結合分析，闡述了某商用車橋主減總成設計分析流程，既完成了對主減速器錐齒輪和軸承的強度校核，又實現了主減速器殼體的有限元分析。

設計的主減總成不僅主被動錐齒輪的疲勞安全系數，殼體滿足結構強度要求，而且主減總成重量得到了控制，有效地降低了成本，同時提高了設計效率，完成設計目標。

[1] 齒輪手冊編委會. 齒輪手冊上冊第2版.機械工業出版社，2010.

[2] 劉惟信. 汽車車橋設計. 清華大學出版社，2004.

[3] 馬少坤，丁淼，崔浩東. 子結構分析的基本原理和ANSYS軟件的子結構分析方法[J]. 廣西大學學報(自然科學版)，2004，29(2)：150-153.

[4] 賴姆佩爾. 懸架元件及底盤力學. 吉林：吉林科學技術出版社，1991.

Forward Design of A Commercial Axle’s Main Reduction Assembly Based on TransmissionCAE Analysis and MSC.Nastran

He Weicong, Zhang Long, Zheng Xiaoyan
（Shaanxi Hande Axle Co. LTD, Shaanxi Xi'an 710201）

Forward design ofa commercial axle’s main retarderassembly was performed based on the technology which the unite of transmissionCAE analysisand MSC.Nastran. After the bevel gear and bearing the preliminary design is completed, through a transmission CAE analysis software to establish the main by the assembly model and calculate, adjust the bevel gear and bearing design parameters so that it meets the requirements and the final shape. Envelope design is completed by three-dimensional modeling of the relevant housing part.A simulation model of the entire axle was established in the transmissionCAE analysis software and the flexible analysis was performed which the retarder、differential、housings’stiffness matrix and the information of point position was extracted with the method of sub-structure from MSC.Nastran.Finally we can get a optimal design to meet the strength and stiffness requirements.

Commercial Axle’s Main Retarder Assembly; Forward Design; Finite Element Analysis; Transmission Flexible Analysis

U463.2

A

1671-7988 (2016)12-46-03

何維聰，就職于陜西漢德車橋有限公司。