基于MASTA和ANSYS聯合仿真的工程機械驅動橋性能分析

摘 要：【目的】驅動橋是由多零件組成的復雜受力系統，新產品初期常出現齒輪、軸承異常損壞問題。通過研究橋殼、差殼、行星架等柔性單元對齒輪、軸承安全系數的影響，以便在設計初期對殼體、齒輪、軸承進行優化。【方法】構建基于MASTA軟件的柔性傳動系統模型。首先，在ANSYS中建立殼體、行星架等柔性單元的全有限元模型，設置凝聚節點，導出剛度矩陣和節點位置信息。其次，將基本系統變形模型和全有限元模型對齊，運行縮聚有限元分析，得到柔性單元的質量和剛度矩陣，建立結構柔性系統變形模型。最后，對齒輪、軸承的安全系數進行對比，并進一步分析軸承均載、滾道應力和滾子受力情況?！窘Y果】研究發現，柔性單元會直接影響齒輪的安全系數，同時會在一定程度上改善變形支撐位置的軸承受載，但對橋輪邊處和差殼處軸承支撐的影響不盡相同?！窘Y論】在后續設計中，要注意考慮柔性單元對驅動橋零件強度的影響。通過分析齒輪安全系數和軸承受力情況，對橋殼結構、齒輪、軸承支撐處剛度進行合理調整。

關鍵詞：驅動橋；柔性單元；系統變形模型；安全系數

中圖分類號：TP391" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2025）03-0025-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.03.005

Performance Analysis of Construction Machinery Drive Axles

Based on Co-simulation of MASTA and ANSYS

LIU Feng1 ZHANG Gang 2

（1.Jiangsu Advanced Construction Machinery Innovation Center Co.， Ltd.， Xuzhou 221004， China;

2.XCMG General Research Institute， Xuzhou 221004， China）

Abstract： [Purposes] The driven axle is a complex force system composed of multiple parts， and the problem of abnormal damage of gears and bearings often occurs at the early stage of new products. By studying the influence of flexible units such as axle shell， differential shell， and planetary carrier on the safety coefficient of gears and bearings， the housing， gears and bearings are optimized in the early stage of design. [Methods] This paper builds a flexible transmission system model based on MASTA software. Firstly， a full finite element model of the shell， planetary carrier and other flexible units is built in ANSYS， cohesive nodes are set up， and the stiffness matrix and node position information are derived; then， the basic system deformation model and the full finite element model are aligned， and the condensed finite element analysis is run to obtain the mass and stiffness matrix of the flexible units， and the deformation model of the structural flexible system is built， and the safety coefficients of the gears and bearings are compared and further specific analyses are carried out for bearing uniform load， raceway stress and roller force. [Findings] It is found that the flexible unit will directly affect the safety coefficient of gears， and at the same time it will improve the bearing loading at the deformation support position to a certain extent， but the effects on the bearing support at the axle wheel edge and the bearing support at the differential shell are not the same. [Conclusions] In the subsequent design， attention should be paid to consider the influence of the flexible unit on the strength of the drive axle parts， and reasonable adjustments should be made to the structure of the axle housing， gears， and the stiffness at the bearing support by analyzing the safety coefficient of the gears and the bearing load on the axle.

Keywords： drive axle; flexible unit; system deformation model; safety factor

0 引言

驅動橋是由主從動錐齒輪、差速器、輪邊行星排及殼體等部件組成的復雜動力傳動系統［1］。齒輪、軸承等部件既承受動力系統傳遞的扭矩，又受殼體外部額定載荷及交變載荷的影響，殼體變形后，齒輪、軸承的工作狀態會發生變化［2］。

驅動橋設計時往往忽略橋殼等柔性單元對整個傳動系統的影響［3］，殼體設計時只考慮整車質量、輪邊支反力和簡單沖擊載荷的影響，并未考慮殼體柔性化后所受軸承的反作用力［4］，導致分析結果和實際效果不一致。因此，在傳動系統仿真分析時，應用MASTA和Ansys軟件聯合仿真，對比剛性及柔性環境下綜合性能差異，從而確定是否需要優化殼體等柔性部件。

1 驅動橋傳動系統建模

1.1 驅動橋基本參數

以徐州工程機械集團有限公司某型驅動橋為例，在MASTA中對齒輪、軸承進行初步設計。主從動錐齒輪、差速器齒輪、輪邊行星排齒輪設計參數見表1至表3。

1.2 驅動橋傳動系統基礎模型

在初步完成齒輪、軸承設計后，對橋殼、半軸、差速器殼體等支承部件進行設計。根據設計后的詳細尺寸，搭建的剛性環境下（無FE）驅動橋MASTA模型如圖1所示，并對該模型進行基本系統變形計算，校核各零件安全系數［5］。

在進行基本系統變形計算時，將橋殼、差速器殼體等復雜零件簡化為剛性連接，計算結果不考慮上述部件受力變形對驅動橋的影響。

2 驅動橋傳動系統柔性化

在實際工作狀態中，橋殼往往受到復雜的內、外部載荷作用，校核得到的各零件安全系數雖在安全范圍內，但卻不太具備說服力。為了能更好地反映實際工況下的零件受力情況，需要對殼體、行星架等復雜結構部件進行柔性化處理，研究柔性環境下傳動系統的綜合性能。

在對MASTA基礎模型進行柔性化處理時，首先，在ANSYS中建立差速器殼、橋殼、行星架的有限元縮聚模型；其次，把縮聚模型導入MASTA中，進行剛度矩陣和質量矩陣計算；最后，利用上述計算得到的矩陣進行基本系統變形分析，得到各零件的性能參數。

由于橋殼、差速器殼、行星架等模型比較復雜，為避免在ANSYS中劃分網格時，因一些不重要細節部位劃分大量網格而消耗計算資源和時間，在三維軟件中將不重要的部位（如螺紋孔、圓角等）進行簡化，處理后的模型如圖2所示。

將模型導入ANSYS后，建立縮聚的有限元模型流程如圖3所示。

橋殼材料為ZG270，差速器殼、行星架材料為QT400，根據材料屬性分別定義其彈性模量和泊松比。使用ANSYS對模型進行網格劃分，設置模型的凝聚節點，即找到與軸承配合的表面，把該表面上所有的點與一個中心點連接，讓該點運動控制整個表面運動。

對于差速器殼、行星架等不需要設置接地的零件，直接建立模型凝聚節點即可，不需要設置邊界條件；對于橋殼等需要接地的零件，建立模型凝聚節點后，還要設置邊界條件，即在與車架連接的部位設置接地，解決有限元計算邊界設置復雜的問題。

在ANSYS中計算得到帶有剛度矩陣和節點位置信息的cdb文件，把該文件導入MASTA中，即可建立結構柔性系統變形模型。先將有限元模型與MASTA模型對齊，尤其是有限元模型的凝聚節點與軸承中心對齊，再進行縮聚計算，得到柔性體質量矩陣和剛度矩陣，從而進行基于變形影響的傳動系統性能分析。驅動橋的柔性系統變形模型如圖4所示。

3 MASTA仿真分析

驅動橋柔性系統變形模型考慮到各類殼體變形對驅動橋零件的影響，得到的結果更接近于實際工作狀態。

3.1 齒輪安全系數

在MASTA系統變形模塊進行仿真時，得到殼體和行星架實際剛度下驅動橋齒輪靜態和疲勞安全系數如圖5至圖8所示。對圖5至圖8分析后可知，無論是靜態還是疲勞安全系數，考慮柔性變形（有FE）的齒輪安全系數均降低，這說明各類殼體、行星架變形對計算結果有直接影響。

3.2 軸承安全系數

在MASTA系統變形模塊進行仿真時，得到殼體和行星架柔性環境下驅動橋軸承安全系數的校核結果如圖9所示。由圖9可知，與齒輪安全系數不同，模型考慮柔性變形（有FE）時對不同位置軸承的影響不盡相同。對小傘軸承來說，柔性變形對其安全系數有削弱作用；對差殼支撐軸承來說，柔性變形對其安全系數影響不大；對輪轂支撐軸承來說，柔性變形對其安全系數有加強作用。

3.3 受力分析

從軸承受力角度出發，分析系統柔性變形對不同位置軸承的影響。

3.3.1 輪邊支撐軸承受力情況。運行MASTA，得到有FE模型和無FE模型中的輪邊支撐軸承受力情況，如圖10和圖11所示。

由圖10可知，有FE的模型中軸承滾道受力相較于無FE的模型軸承受力更均勻，起作用的滾子個數較多。由圖11可知，有FE模型時的輪邊支撐軸承所受應力（最大580 MPa）明顯小于無FE模型時（1 600 MPa），且滾子所受法向力也有相同的趨勢。

FE模型中殼體的變形使得輪邊支撐軸承受載均勻，且應力較小，可以改善軸承的受力情況，提高安全系數。

3.3.2 差殼支撐軸承受力情況。運行MASTA，分別得到有FE模型和無FE模型中的差殼支撐軸承受力情況，如圖12和圖13所示。

由圖12可知，兩個模型中軸承滾道受載較為均勻，但有FE模型時的應力值大于無FE模型時的應力值。由圖13可知，兩個模型中軸承滾子所受應力和法向力基本一致，最大應力為800 MPa，最大法向力為1.4 kN。

在無FE的基本變形模型中，差殼支撐軸承受載均勻性較好；在有FE模型的變形并沒有明顯改變差殼支撐軸承的受載情況，因而，兩個模型中差殼支撐軸承的安全系數沒有明顯的變化。

4 結論

①殼體、行星架等柔性單元的變形直接影響驅動橋齒輪的安全系數，通常會產生不利影響。

②模型柔性化后，驅動橋不同位置軸承的安全系數變化趨勢不一致，由軸承受力情況可知，滾子均載狀態和應力大小受柔性單元剛度和支撐結構的影響。

綜上所述，在后續驅動橋設計工作中，應高度重視柔性單元變形對驅動橋各部件強度可能帶來的影響，并據此對設計進行合理調整。

參考文獻：

［1］王望予.汽車設計［M］.4版.北京：機械工業出版社，2017：16-21.

［2］張青峰，詹東安.基于MASTA的驅動橋傳動系統集成設計與分析［J］.裝備制造技術，2022（8）：160-163.

［3］楊波，羅金橋.基于ANSYS的汽車驅動橋殼的有限元分析［J］.CAD/CAM與制造業信息化，2005（9）：28-30，32.

［4］謝錫春，周寅鵬，汪振曉.基于MASTA的斷開式中橋主減速器系統變形與強度分析［J］.汽車科技，2016（2）：43-49.

［5］劉越，毛明，王明成，等.基于MASTA和ANSYS的行星傳動柔性分析［J］.制造業自動化，2011，33（1）：100-104.