黃一鳴（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心，廣西 柳州 545007）

有限元分析在汽車主減速器殼設計中的應用

黃一鳴
（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心，廣西 柳州 545007）

主減速器是汽車驅動橋的重要組件之一，其主要作用將發(fā)動機的扭矩傳遞到車輪兩端，在此過程中，主減速器殼扮演著維持整個傳動鏈穩(wěn)定的重要角色，其剛度和強度均是設計者需關注的重點。利用有限元分析軟件分析得到主減速器殼體剛度和強度的，利用不同剛度的主減速器殼體裝配主減總成裝車進行 NVH測試，以獲得主減速器殼體剛度對主減噪音的影響，為后續(xù)主減速器的設計及優(yōu)化提供參考。

Altair Hypermesh；汽車主減速器殼；有限元分析；剛度和強度

主減速器是汽車驅動橋的一個重要組件，其主要作用是將發(fā)動機或變速箱傳來的扭矩通過減速增扭，并將扭矩傳遞到車輪上來驅動車輛行駛。主減速器殼體支撐著整個主減總成，并維持傳動平穩(wěn)，工作過程中，殼體受到機械負荷和沖擊載荷的共同作用，工況惡劣，容易產生裂紋，因此在過去主減速器殼的校核中，僅對其強度進行校核。

隨著汽車行業(yè)NVH技術的發(fā)展，零部件的強度滿足使用已經無法滿足未來低噪音的要求，主減速器殼的剛度不足會導致傳動過程中齒輪嚙合偏移，進而影響齒輪嚙合噪音以及使用壽命，因此在主減速器殼的設計中，主減速器殼強度和剛度都必須是設計者的關注重點。

本文以某MPV后驅車型主減速器殼為例，通過根據整車的輸入參數計算出傳動鏈中關鍵部件的受力情況，再根據各部件在主減速器殼中的位置將載荷分配到軸承上，軸承的受力將會直接作用于主減速器殼上，通過有限元分析計算，對比兩種不同剛度主減速器殼的應力云圖、位移云圖，最終根據整車噪聲測試，來驗證剛度的影響。

1 理論依據

運用有限元分析軟件 Altair Hypermesh對汽車主減速器殼體進行有限元分析計算。通過對比應力、關鍵位置位移，最后在根據在整車上的表現，以確定兩種主減速器殼的性能，為后續(xù)主減速器殼的設計提供依據?？紤]軸承本體剛度要遠大于主減速器殼體剛度，因此本次分析將軸承作為剛體。

2 汽車主減速器殼體有限元分析

2.1 主減速器殼體模型的建立

利用UG軟件建立主減速器殼體的三維實體模型，如圖1所示。

圖1 2種主減速器殼體三維模型（左為1#，右為2#）

2.2 網格劃分

將該結構模型導入有限元分析軟件Altair Hypermesh，按照邊長為2mm對主減速器殼劃分網格，如圖2所示。

圖2 2種主減速器殼體有限元模型（左為1#，右為2#）

2.3 參數確定

（1）主減速器殼的材料選用QT450-10A，材料參數如表1所示。

表1 輪轂材料參數表

（2）整車輸入參數如表2所示。

表2 整車輸入參數表

（3）主被齒參數如表3所示。

表3 主被齒參數表

（4）軸承安裝圖（圖3）以及各尺寸如表4所示。

表4 軸承安裝位置參數表

圖3 軸承安裝圖（垂直紙面出來方向為+Z向）

（5）軸承信息如表5所示。

表5 各軸承信息表

2.4 受力工況計算

根據汽車行駛情況，主要將加速工況時主減速器殼受力作為研究對象。

加速工況：

主減輸入扭矩計算

式中：

M加速輸入－加速行駛時，主減的最大輸入扭矩; Mi－發(fā)動機最大輸入扭矩

i1－變速箱1檔速比

（1）計算圓周力P

則圓周力P

式中

d1m，d2m——主、從動齒輪齒面寬中點的分度圓直徑；P1，P2——雙曲面主、從動齒輪的圓周力

（2）計算主、從動齒輪的軸向力和徑向力

式中

A1，A2——主、從動齒輪所受軸向力；

R1，R2——主、從動齒輪所受徑向力

（3）計算主、從動齒輪軸承受力

（以下R代表徑向力，A代表軸向力）軸承A

方向為+Z

方向為Y

A軸承徑向力產生的派生軸向力

方向為+X

B軸承徑向力產生的派生軸向力

方向為?X

因為A1+ABR＞AAR

所以AA=A1+ABR= 32653 + 2639 =35292N

方向為+XAB=0

軸承B

方向為?Z

方向為?Y

軸承C

方向為?Z

方向為?X

C軸承徑向力產生的派生軸向力

方向為+Y

D軸承徑向力產生的派生軸向力

方向為?Y

因為A2+ACR＞ADR

所以AD=A2+ACR= 6803 + 5059 =11862N

方向為+Y

AC=0

軸承D

方向為?Z

方向為?X

2.5 有限元約束及載荷施加

通過 Altair Hypermesh軟件分別對兩種剛度不同的主減速器殼進行有限元分析。約束法蘭面螺栓安裝孔位，在 4個軸承位按計算好的作用力以及作用方向施加載荷（見圖4）。

圖4 2種主減速器殼體有限元加載模型（左為1#，右為2#）

2.6 有限元分析結果

兩種主減速器殼的應力云圖（圖5）。

兩種主減速器殼的變形云圖（圖6）。

圖6 2種主減速器殼體變形云圖（左為1#，右為2#）

2.7 有限元分析結果匯總

計算結果匯總見表6和表7。強度結果（表6）：

表6 強度校核結果

剛度結果（表7）：

表7 剛度計算結果

3 主減速器殼裝上整車試驗

本次試驗將兩種主減速器殼體按要求裝配成相同的 2臺主減總成，并裝與同一臺車前后進行NVH測試，在座椅后排位置聲學麥克風，對比兩種主減速器殼的使用效果。具體測試結果見表8。

表8 NVH測試結果

根據NVH測試結果，增大主減速器殼體的剛度對主減總成在整車條件下的NVH效果有提升，由于減殼受力變形導致齒輪嚙合錯位量，維持整個車橋傳動系統(tǒng)鏈的穩(wěn)定。

4 結論

通過 UG軟件建立主減速器殼體的三維模型，計算出主減速器殼體在加速工況時的應力情況以及各個軸承位置的變形量，最后通過NVH測試驗證對主減速器殼體加強剛度的優(yōu)勢。此分析方法對今后設計低噪音車橋具有重要的借鑒意義。

[1] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

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[3] 李建功.機械設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

[4] 張洪武,關振群.有限元分析與CAE技術基礎[M].北京:清華大學出版社,2004.

Finite element analysis in the design of the main reducer shell

The main reducer is one of the important component of drive axle, its main function is transmit the torque of engine to the wheels, in the process, the main reducer shell plays an important role to maintain the stability of the transmission chain, the stiffness and strength should be focused of attention by designer. Using finite element analysis software to apply loads and constraints to get the results of stiffness and strength of the main reducer shells, continue to the assembly the main reducers with the two shells in the car for NVH test to obtain the effect on the noise of the main reducer by the stiffness of the shells, and provide reference for the design and optimization of main reducer in the future.

Altair Hypermesh; main reducer shell; finite element analysis; stiffness and strength

U46

A

1008-1151(2016)11-0040-03

2016-10-12

黃一鳴（1989－），男，上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心助理工程師，研究方向為汽車車橋設計以及性能研究。