基于Romax的差速器殼體故障分析及設計優化

張凱，胡順安，林方軍，宋建平，王國元，狄超群

(1.山東蓬翔汽車有限公司，山東煙臺 265600；2.常熟理工學院，江蘇蘇州 215500)

0 引言

驅動橋是重型汽車的主要總成之一[1]，其功用主要包括：增大變速器傳來的扭矩；改變傳動方向；將動力合理地傳遞給兩側車輪。驅動橋在傳遞扭矩過程中主要在主減速器內工作，其中主減速器包含差速器[2]，差速器將動力從主從動錐齒輪向兩側車輪傳遞扭矩。差速器在傳遞扭矩過程中需要較高的強度，才能支撐從動錐齒輪正常的運轉。由于主減速器內存在準雙曲面齒輪，該齒輪受力計算復雜，李玉麗、樊智濤等[3-4]利用ANSYS等軟件針對汽車差速器進行了相關研究，但計算并未準確導入準雙曲面齒輪，由于準雙面齒輪計算較為復雜，需要引入專業的齒輪設計軟件進行計算分析。根據客戶臺架測試反饋的故障信息，利用Romax軟件中的Enduro模塊進行了差速器殼體建模，針對客戶進行的反拖工況進行了建模分析，并找到了與故障模式相符的差速器殼體薄弱點并加以改進。

1 故障模式

如圖1所示的某型號產品，在給客戶批產前進行了小批量試裝，客戶在接收公司產品后進行了反拖工況的臺架測試，出現了差速器殼體刷圈和斷裂的故障(圖2)。

圖1 主減速器總成示意

圖2 差速器殼體刷圈及開裂故障

根據故障信息反饋，差速器殼體斷裂于齒輪配合處的R2圓角處刷圈以及十字軸孔附近如圖3所示。

圖3 差速器殼體模型

2 分析模型建立

利用Romax對該故障型號主減速器進行簡化建模，如圖4模型所示。

圖4 Romax減速器模型

由于Romax自身建立的只是虛擬軸系統，并不能真實反映差速器殼體的應力。只能根據模型計算出由從動錐齒輪作用在差速器殼體上的軸向力。需要再利用Abaqus將準確的差速器殼體進行網格劃分，導出有限元剛度模型，再將準確的三維差速器殼體模型導入到Romax系統中，以此就能準確地將差速器殼體支撐剛度導入到Romax中，如圖5所示。再利用系統計算出來的齒輪嚙合時的軸向力，進一步將軸向力傳遞到差速器殼體上，以此得出準確的差速器殼體應力分布。并對模型按照客戶要求的統一的臺架測試QC/T 533—1999標準要求進行載荷譜加載分析，具體見表1。

圖5 差速器殼體有限元模型

表1 減速器加載載荷譜

在Romax中進行加載分析后，如圖6所示為差速器殼體在該載荷譜的有限元應力情況。

圖6 差速器殼體有限元應力模型

有限元分析后R2圓角處應力超過580 MPa，十字軸孔附近應力超過460 MPa。差速器殼體材料為QT600-3，σb=600 MPa，差速器殼體最大應力幾乎接近差速器殼體的強度極限。可以說明在該載荷譜下差速器殼體強度不足，和臺架測試損壞結果基本一致,需要針對模型進行進一步加強。

3 模型改進及驗證

根據分析結果分別對差速器殼體的應力較大部分進行了加強，分別將圖3中R2圓角增加到R9，R10增加到R15，將優化后的模型導入Romax進行有限元分析,得出如圖7結果。

圖7 加強后差速器殼體有限元應力模型

有限元分析R9及R15圓角處應力約305 MPa，優化后的安全系數達到1.97，差速器殼體材料強度足以覆蓋差速器殼體最大應力。可以說明改進后的差速器殼體在該載荷譜下差速器殼體強度已滿足設計和使用要求。

為了驗證有限元分析的結果，將優化后的減速器總成進行了臺架實際測試，并完全按照軟件設定的載荷譜進行加載，得出結果較為理想，達到測試時間后，差速器殼體并未損壞，拆解后對差速器殼體進行了探傷，也并未發現裂紋。

圖8 臺架測試后差速器殼體探傷

4 結論

經過Romax建模分析以及導入準確差速器殼體進行有限元分析，并對測試結果進行了臺架驗證。結果說明將差速器殼體以有限元模型的方式導入到Romax軟件中進行受力分析的方式比較可靠，能夠準確地顯示應力較大的部位和數值。由于準雙曲面齒輪的復雜性，無法單純地依靠有限元模型模擬差速器殼體的受力情況，在導入Romax軟件后，可以準確地反映出差速器在反拖工況下軸向力較大，通過Romax對比優化前后的狀態，提供了優化方向，優化后的差速器總成順利地通過了臺架測試。