李強(qiáng)　夏權(quán)　鄭泉　王韋韋（.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥30009；.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，合肥30036）

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基于Romax的分時(shí)4驅(qū)汽車(chē)用分動(dòng)器力學(xué)特性分析*

李強(qiáng)1夏權(quán)2鄭泉2王韋韋2
（1.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥230009；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，合肥230036）

【摘要】針對(duì)對(duì)分時(shí)4驅(qū)汽車(chē)用分動(dòng)器及其部件力學(xué)特性分析不足的問(wèn)題，提出了構(gòu)建分動(dòng)器動(dòng)力學(xué)仿真模型以進(jìn)行力學(xué)特性分析的方法。以某款分時(shí)4驅(qū)汽車(chē)用分動(dòng)器為研究對(duì)象，基于Romax軟件建立分動(dòng)器動(dòng)力學(xué)分析模型，分別進(jìn)行4驅(qū)高速、4驅(qū)低速以及兩驅(qū)3種工況下的分動(dòng)器軸承、齒輪和軸等關(guān)鍵部件的受力特性分析，得出分動(dòng)器最大偏移量為118.54 μm以及各擋軸承、軸和齒輪在X、Y、Z 3個(gè)方向上的受力。

主題詞:汽車(chē)分時(shí)4驅(qū)分動(dòng)器力學(xué)特性

1　前言

分時(shí)4驅(qū)汽車(chē)作為4驅(qū)汽車(chē)的一種類(lèi)型，因能夠?qū)崿F(xiàn)4驅(qū)/兩驅(qū)的切換，受到越來(lái)越多的客戶(hù)青睞。分動(dòng)器作為實(shí)現(xiàn)動(dòng)力切換的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響整車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的性能。國(guó)內(nèi)、外諸多學(xué)者在4驅(qū)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)方面開(kāi)展了諸多研究，如陳黎卿針對(duì)智能4驅(qū)汽車(chē)分動(dòng)器開(kāi)展了系列研究[1～4]；馬文博基于Ro?max的計(jì)算機(jī)有限元仿真求解得出6速自動(dòng)變速器各擋位工作時(shí)齒輪、軸承和軸所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和疲勞壽命，提高了自動(dòng)變速器的設(shè)計(jì)精度[5]；趙志國(guó)等人通過(guò)Ro?max建立驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)系統(tǒng)模型，分析了各工況對(duì)支承軸承壽命的影響[6]；彭國(guó)民等人通過(guò)分析齒面載荷分布情況，對(duì)齒輪進(jìn)行齒形修形，并研究了齒輪嚙合特性對(duì)剛度的影響[7、8]。

目前在傳動(dòng)系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)方面已經(jīng)取得了諸多研究成果，但是針對(duì)分時(shí)4驅(qū)汽車(chē)的分動(dòng)器設(shè)計(jì)研究方面尚不多見(jiàn)，本文基于Romax軟件對(duì)該類(lèi)型分動(dòng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

2　分動(dòng)器輸入載荷譜的確定

某款分時(shí)4驅(qū)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所列。該車(chē)輛所配分動(dòng)器可以進(jìn)行4驅(qū)/兩驅(qū)的切換，且4驅(qū)工況下還可以進(jìn)行高速擋和低速擋的切換。實(shí)際情況下一般忽略發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的變化，只研究發(fā)動(dòng)機(jī)輸出最大扭矩及變速器處于1擋和倒擋時(shí)分動(dòng)器的輸入扭矩，因此分動(dòng)器的最大輸入扭矩計(jì)算公式為：

式中，Mm為發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸入扭矩；i1為變速器速比；η1為變速器最低擋的傳動(dòng)效率，取η1=0.9。

表1某款分時(shí)4驅(qū)汽車(chē)相關(guān)參數(shù)

3　基于Romax的分動(dòng)器傳動(dòng)系統(tǒng)建模

分動(dòng)器傳動(dòng)系統(tǒng)較為復(fù)雜，建模困難，因此在不影響結(jié)果的前提下進(jìn)行模型簡(jiǎn)化。根據(jù)傳動(dòng)路徑，建立兩驅(qū)（2H）、4驅(qū)高速擋（4H）和4驅(qū)低速擋（4L）3種工況下的仿真模型，如在4L工況中，動(dòng)力傳遞路徑為輸入軸-太陽(yáng)軸-太陽(yáng)輪-行星架軸-中間軸-后輸出軸-前輸出軸，輸入軸至太陽(yáng)軸的花鍵、行星架至中間軸的花鍵和中間軸至后輸出軸的花鍵用剛性連接代替。在2H、4H工況時(shí)，動(dòng)力不經(jīng)行星輪傳遞，由太陽(yáng)軸傳遞到中間軸，此時(shí)輸入軸至太陽(yáng)軸的花鍵、太陽(yáng)輪至中間輪、中間軸至后輸出軸的花鍵用剛性連接代替。分動(dòng)器傳動(dòng)系統(tǒng)2H、4H和4L 3種工況模型如圖1所示。

圖1　4L、4H、2H工況下的分動(dòng)器傳動(dòng)系統(tǒng)模型

4　分析結(jié)果

4.14L工況下的靜態(tài)分析

在確認(rèn)齒輪箱幾何尺寸無(wú)誤后，在輸入軸上定義輸入載荷的位置，在前、后輸出軸上定義輸出載荷的位置，分動(dòng)器輸入功率載荷如表2所列。根據(jù)表2對(duì)4L工況進(jìn)行靜態(tài)分析，得到傳動(dòng)系統(tǒng)的偏移量如圖2所示。各軸靜態(tài)分析結(jié)果如圖3～圖5所示。

表2分動(dòng)器輸入功率載荷

圖2　4L工況下的傳動(dòng)系統(tǒng)偏移量幅值

圖3　4L工況下后輸出軸靜態(tài)分析

圖5　4L工況下輸入軸靜態(tài)分析

圖44L工況下前輸出軸靜態(tài)分析

軸承力和剛性連接力用笛卡爾直角坐標(biāo)系X、Y、Z 3個(gè)方向的分力表示，實(shí)際上是表示軸承與軸承座孔和殼體之間的作用力和反作用力的大小，兩者數(shù)值相等，方向相反，由傳動(dòng)軸承和行星輪組的齒圈將受力傳遞給殼體部件，殼體受力如表3所示。在X、Y、Z方向所受的合力理論值都應(yīng)該為0，整體才處于平衡狀態(tài)，而在4L工況的正反轉(zhuǎn)工況下，X、Y、Z的合力最大值為0.1 N，表示傳動(dòng)系統(tǒng)的受力分析較為準(zhǔn)確。

4.24H工況下的靜態(tài)分析

在確認(rèn)齒輪箱幾何尺寸無(wú)誤后，在輸入軸上定義輸入載荷的位置，在前、后輸出軸上定義輸出載荷的位置。根據(jù)表2中4H工況下的運(yùn)行時(shí)間、輸入轉(zhuǎn)速和輸入轉(zhuǎn)矩，在載荷譜中添加4H正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)工況，進(jìn)行靜態(tài)分析。分析得到傳動(dòng)系統(tǒng)的偏移量如圖6所示。各軸靜態(tài)分析結(jié)果如圖7～圖9所示。可見(jiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的最大偏移量為44.79 μm，出現(xiàn)在反轉(zhuǎn)工況下，位于后輸出軸的傳動(dòng)鏈主動(dòng)輪處。

表34L工況時(shí)分動(dòng)器主要部件受力N

圖6　4H工況下的傳動(dòng)系統(tǒng)偏移量幅值

4H工況下殼體受力如表4所列。殼體在X、Y、Z方向所受合力的理論值都應(yīng)為0，使整體處于平衡狀態(tài)，實(shí)際上在4H的正、反轉(zhuǎn)工況下X、Y、Z的合力都為0，因而表示傳動(dòng)系統(tǒng)的受力分析較為準(zhǔn)確。

圖7　4H工況下后輸出軸靜態(tài)分析

圖8　4H工況下前輸出軸靜態(tài)分析

圖9　4H工況下輸入軸靜態(tài)分析

表44H工況時(shí)分動(dòng)器主要部件受力　N

4.32H工況下的靜態(tài)分析

在確認(rèn)齒輪箱幾何尺寸無(wú)誤后，在輸入軸上定義輸入載荷的位置，在后輸出軸上定義輸出載荷的位置，根據(jù)表2中2H工況下的運(yùn)行時(shí)間、輸入轉(zhuǎn)速和輸入轉(zhuǎn)矩，在載荷譜中添加2H正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)工況，進(jìn)行靜態(tài)分析。分析得到軸的偏離結(jié)果如圖10所示。在2H工況下，由于分動(dòng)器輸入軸和后輸出軸通過(guò)中間軸相連，行星架空轉(zhuǎn)，主動(dòng)鏈輪和后輸出軸分離，無(wú)齒輪傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)，此時(shí)軸承受力都為0。

圖10　2H工況下的傳動(dòng)系統(tǒng)偏移量幅值

5結(jié)束語(yǔ)

文章基于Romax軟件對(duì)分時(shí)4驅(qū)汽車(chē)用分動(dòng)器進(jìn)行了3種工況下的仿真分析，得到分動(dòng)器軸、軸承的力學(xué)特性，分析得出分動(dòng)器最大偏移量為118.54 μm，同時(shí)得出在3種工況中后輸出軸都是偏移量最大部件的結(jié)論。

參考文獻(xiàn)

1陳黎卿，陳無(wú)畏，王鈺明，等.智能4驅(qū)汽車(chē)分動(dòng)器殼體有限元分析與模態(tài)試驗(yàn).中國(guó)機(jī)械工程，2013，24（16）：2168～2194.

2陳黎卿，張棟，陳無(wú)畏.基于流固耦合的分動(dòng)器齒輪兩相流動(dòng)數(shù)值模擬與試驗(yàn).農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014，30（4）:54～61.

3陳黎卿,鄭媛媛,陳無(wú)畏,等.基于適應(yīng)性重構(gòu)的分動(dòng)器設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā).機(jī)械設(shè)計(jì)，2013,30（7）：1～4.

4王亮,鄭泉,陳黎卿,等.面向多目標(biāo)滿(mǎn)意度的分動(dòng)器與整車(chē)匹配優(yōu)化.機(jī)械設(shè)計(jì),2015，32（7）:20～24.

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7趙志國(guó)，李海濤，等.45 t鉸接式自卸車(chē)驅(qū)動(dòng)橋支承軸承疲勞壽命分析.煤礦機(jī)械，2010,31（9）:87～89.

8彭國(guó)民，康黎云，任海軍.變速器齒輪傳遞誤差分析與優(yōu)化.中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集，2010.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2016年2月1日。

Mechanical Characteristics Analysis of Part-time 4WD Vehicle Transfer Case based on Romax

Li Qiang1,Xia Quan2,Zheng Quan2,Wang Weiwei2
（1.Hefei University of Technology,Hefei 230009;2.Anhui Agricultural University,Hefei 230036）

【Abstract】To address the issue of insufficient analysis of transfer case and components mechanical property for parttime 4WD vehicle,it is proposed in this paper to build transfer case dynamic simulation model to make mechanical property analysis.With a part-time 4WD vehicle transfer case as the research object,we make the mechanical property analysis on some critical parts like transfer case bearing,gear and shaft,etc.in three driving modes of high-speed 4WD, low-speed 4WD and 2WD based on the transfer case dynamics analysis model in Romax software,and it is concluded that the maximum offset of the transfer case is 118.54μm,stress of bearings,shafts,and gears at X-,Y-and Z direction is also obtained.

Key words:Vehicle,Part-time 4WD,Transfer case,Mechanical properties

中圖分類(lèi)號(hào):U464.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000-3703（2016）03-0045-04

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然基金項(xiàng)目（NO：51305004）；安徽省高校自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目（NO:KJ2015A305）。