基于CAE 分析的新能源減速器殼體優(yōu)化設(shè)計

文/袁 勃 孟慶振 梅少龍（安徽星瑞齒輪傳動有限公司）

減速器是新能源汽車動力總成的重要組成部分，通過電機(jī)輸入扭矩輸出至半軸驅(qū)動整車運(yùn)行。而減速器殼體是減速器的重要組成部分，它將減速器中齒輪、軸等主要零部件組裝成一個整體。在整車運(yùn)行過程中，殼體不僅需要吸收齒輪工作時產(chǎn)生的力和力矩，還要保證軸和齒輪具有相對準(zhǔn)確的位置，這就要求殼體要有良好的強(qiáng)度、剛度等。

本文對安徽星瑞齒輪傳動有限公司一款新能源減速器殼體的初始設(shè)計進(jìn)行CAE 分析，結(jié)果表明，殼體強(qiáng)度和剛度均不滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。后結(jié)合殼體表面拉應(yīng)力、壓應(yīng)力分布及模態(tài)振型，通過優(yōu)化圓角和合理布局殼體表面加強(qiáng)筋，進(jìn)行殼體優(yōu)化設(shè)計。經(jīng)CAE 相同載荷工況分析，殼體最大應(yīng)力下降了51.04%， 一階模態(tài)頻率提高了76.80%，殼體強(qiáng)度和模態(tài)頻率均滿足設(shè)計要求。

一、減速器殼體初始設(shè)計及CAE 分析

1.殼體初始設(shè)計

殼體采用ADC12 壓鑄鋁合金材料壓鑄制造。為了保證鑄件的質(zhì)量，防止縮松、沙眼等鑄造缺陷，殼體采用4mm 均勻等厚設(shè)計。在軸承座及螺栓孔周圍采用加強(qiáng)筋強(qiáng)化，各螺栓孔、凸臺以及交界面均設(shè)置圓角過渡，減速器殼體初始設(shè)計見圖1。

圖1 減速器殼體初始設(shè)計

2.CAE 分析

采用有限元軟件進(jìn)行前處理。首先進(jìn)行殼體表面網(wǎng)格劃分，平均網(wǎng)格尺寸采用3mm。在螺栓孔處建立一層washer 面，washer 直徑為螺栓孔直徑的1.5～1.7 倍，washer 面劃分2 層網(wǎng)格，并保證網(wǎng)格流向一致。對殼體中大量圓角，應(yīng)設(shè)置2 層及以上網(wǎng)格進(jìn)行過渡圓角等局部小結(jié)構(gòu)細(xì)化處理，小于1mm 的可使用1 層網(wǎng)格劃分或進(jìn)行簡化處理。對表面網(wǎng)格質(zhì)量檢查合格（Aspect Ratio≤5、Skew≤60°、20°≤Interior Angle≤120°）后，采用向內(nèi)插值算法生成二階四面體網(wǎng)格。左右殼體連接螺栓采用RBE+Bar 單元進(jìn)行簡化模擬，RBE 抓取螺栓周圍2 層單元，有限元模型基本信息見表1。

表1 有限元模型基本信息

將電機(jī)輸入扭矩根據(jù)速比轉(zhuǎn)換為減速器齒輪載荷，通過軸承內(nèi)圈、軸承外圈，最終傳遞至殼體軸承座上，各軸承載荷可由齒輪系統(tǒng)設(shè)計分析軟件MASTA 導(dǎo)出。首先，在MASTA 中建立減速器的齒軸系統(tǒng)分析模型，將殼體剛度矩陣和質(zhì)量矩陣縮聚至6 個軸承孔中心節(jié)點(diǎn)處，結(jié)合FEA 模型導(dǎo)入MASTA 后進(jìn)行系統(tǒng)變形分析，導(dǎo)出各軸承孔受力[1]。其次，將殼體與軸承接觸面以RBE 單元耦合至軸承孔中心節(jié)點(diǎn)，將MASTA 導(dǎo)出的軸承載荷分別施加在對應(yīng)軸承孔中心節(jié)點(diǎn)上，約束電機(jī)殼體和減速器殼體連接螺栓123456 自由度（見圖2），提交求解器進(jìn)行求解計算。

圖2 殼體CAE 分析模型

經(jīng)CAE 分析，殼體最大應(yīng)力216.75MPa，遠(yuǎn)大于材料屈服強(qiáng)度，殼體強(qiáng)度不滿足要求；最大應(yīng)力位于差速器前軸承孔加強(qiáng)筋處，圖3(a)殼體強(qiáng)度分析結(jié)果的右側(cè)殼體中，著色區(qū)域應(yīng)力均超過材料屈服強(qiáng)度，不滿足設(shè)計要求。進(jìn)一步進(jìn)行殼體模態(tài)分析，一階模態(tài)頻率僅為479Hz，二階模態(tài)頻率為766Hz，也不滿足設(shè)計要求。

二、殼體優(yōu)化及改進(jìn)設(shè)計

根據(jù)殼體強(qiáng)度仿真結(jié)果，查看殼體拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分布情況。對拉應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)根據(jù)受力方向進(jìn)行加強(qiáng)筋改進(jìn)設(shè)計和殼體圓角優(yōu)化改進(jìn)；而對壓應(yīng)力區(qū)域，可進(jìn)行局部設(shè)計參數(shù)優(yōu)化、減小壁厚、增大圓角等處置措施。殼體拉應(yīng)力、壓應(yīng)力分布區(qū)域見圖3(a)。在進(jìn)行加強(qiáng)筋改進(jìn)時，加強(qiáng)筋還應(yīng)參考?xì)んw一階模態(tài)振型，加強(qiáng)筋走向應(yīng)與殼體振動方向垂直，殼體第一、第二階模態(tài)振型見圖3(b)殼體模態(tài)分析結(jié)果。

圖3 殼體FEA 分析結(jié)果

1.加強(qiáng)筋改進(jìn)設(shè)計

殼體強(qiáng)度和剛度主要采用布置加強(qiáng)筋進(jìn)行強(qiáng)化，主要采用以下措施：加強(qiáng)筋厚度采用4～5mm，高度應(yīng)介于殼體厚度的1～5 倍，并兼顧整車配合尺寸，加強(qiáng)筋的走向應(yīng)與壓鑄時金屬熔液流動方向和拔模方向一致；在電機(jī)結(jié)合面、軸承端面應(yīng)設(shè)置圓形環(huán)抱筋，避免因較大薄壁面存在，而產(chǎn)生局部模態(tài)；在軸承孔周圍，加強(qiáng)筋應(yīng)以軸承孔為圓心向外進(jìn)行輻射分布；加強(qiáng)筋與螺栓進(jìn)行連接時，加強(qiáng)筋中面應(yīng)與兩連接位置連線重合；在相交面部位，應(yīng)以三角形斜筋進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計[2]。

2. 殼體圓角設(shè)計

為了兼顧壓鑄成型時鋁合金分布、避免殼體交界面、尖角、臺階、過渡處應(yīng)力集中，殼體一般位置倒圓角半徑為2～4mm；在軸承孔處，在T 型交叉面處應(yīng)增大圓角半徑，但當(dāng)圓角半徑≥5mm 時，應(yīng)先在該部位加三角型斜筋，后進(jìn)行倒圓角，優(yōu)化后殼體模型見圖4。

圖4 優(yōu)化后殼體模型

三、優(yōu)化后CAE 仿真結(jié)果

對優(yōu)化后殼體加載初始設(shè)計相同的載荷工況和約束條件，進(jìn)行強(qiáng)度分析，殼體最大應(yīng)力為106.11MPa，下降了51.04%，小于材料屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計要求。最大應(yīng)力位置位于差速器連接筋處，檢查改進(jìn)后殼體拉應(yīng)力與壓應(yīng)力分布，拉應(yīng)力基本都處于加強(qiáng)筋上，加強(qiáng)筋布局有效，見圖5(a)殼體強(qiáng)度分析結(jié)果。

對優(yōu)化后殼體進(jìn)行模態(tài)分析，一階模態(tài)頻率為847Hz，提高了76.8%；二階模態(tài)頻率也提高至934Hz，較改進(jìn)前提高了21.9%，見表2。查看模態(tài)振型，1500Hz 內(nèi)均無局部模態(tài)[2]，殼體模態(tài)滿足要求，見圖5(b)殼體模態(tài)分析結(jié)果。

表2 改進(jìn)前后模態(tài)分析結(jié)果對比

圖5 優(yōu)化后殼體FEA 分析結(jié)果

四、結(jié)語

本文通過殼體拉應(yīng)力壓應(yīng)力與分析、結(jié)合模態(tài)振型，通過合理布局殼體表面加強(qiáng)筋、優(yōu)化圓角等措施，優(yōu)化后殼體最大應(yīng)力下降51.04%、一階模態(tài)頻率提高76.8%，達(dá)到設(shè)計要求。

殼體加強(qiáng)筋、圓角的排布與應(yīng)用，在殼體系列化開發(fā)中避免了殼體拓?fù)鋬?yōu)化，可直接根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)結(jié)合相似產(chǎn)品對殼體進(jìn)行快速強(qiáng)化，大大縮短了開發(fā)周期，提升了優(yōu)化效率。