何維聰，張龍，鄭小艷

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

基于傳動(dòng)CAE分析與MSC.Nastran的某商用車橋主減總成正向設(shè)計(jì)

何維聰，張龍，鄭小艷

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

采用傳動(dòng)CAE分析與MSC.Nastran相結(jié)合的技術(shù)對某商用車橋主減總成進(jìn)行正向設(shè)計(jì)。在錐齒輪和軸承初步設(shè)計(jì)完成后，通過傳動(dòng)CAE分析軟件建立主減總成分析模型并計(jì)算，調(diào)整錐齒輪和軸承的設(shè)計(jì)參數(shù)使其符合要求并最終定型，采用包絡(luò)設(shè)計(jì)完成相關(guān)殼體件的三維建模。使用子結(jié)構(gòu)法從MSC.Nastran中提取差殼、減殼和橋殼等殼體的剛度矩陣和節(jié)點(diǎn)位置信息，在傳動(dòng)CAE分析軟件中建立整橋仿真分析模型并進(jìn)行柔性分析，得到考慮差殼、減殼和橋殼等殼體實(shí)際剛度的錐齒輪安全系數(shù)，將分析得到的數(shù)據(jù)作為邊界條件導(dǎo)入有限元模型中，得到滿足強(qiáng)度和剛度要求下的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

商用車橋主減總成；正向設(shè)計(jì)；有限元分析；傳動(dòng)柔性分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.016

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-46-03

引言

創(chuàng)新是國家和企業(yè)發(fā)展的生命源泉，通過正向設(shè)計(jì)能夠在產(chǎn)品頂層實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，從而掌握車橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和核心技術(shù)，這是走車橋自主創(chuàng)新的必然之路。

通過定義客戶需求，進(jìn)行錐齒輪和軸承的初步設(shè)計(jì)，在傳動(dòng)CAE分析軟件建立分析模型并完成傳動(dòng)分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果選出齒輪和軸承的最優(yōu)參數(shù)。利用傳動(dòng)CAE分析軟件中的結(jié)構(gòu)柔性模塊，工程設(shè)計(jì)人員可以在各種工況下精確地計(jì)算齒輪和軸承的錯(cuò)位量、受力和安全系數(shù)等參數(shù)，還可以借助MSC.Nastran計(jì)算殼體的最大應(yīng)力和變形量等信息。該方法在進(jìn)行殼體有限元分析時(shí)能得到準(zhǔn)確的軸承受力邊界條件，并能得到考慮殼體實(shí)際剛度的齒輪安全系數(shù)，提高了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過這種由內(nèi)而外的正向設(shè)計(jì)，極大的提高了設(shè)計(jì)效率。

1、傳動(dòng)件設(shè)計(jì)

1.1 準(zhǔn)雙曲面齒輪設(shè)計(jì)

首先，確定基本參數(shù)。已知大輪轉(zhuǎn)矩Tj和主減速比i0范圍，可確定大輪大端分度圓直徑d2，小輪齒數(shù)z1、大輪齒數(shù)z2。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可確定小輪偏置距E、大輪大端端面模數(shù)mt2。通過計(jì)算大輪分度錐角初值δ20和大輪大端錐距初值Re2，得到大輪齒寬b2。根據(jù)d2的值選擇相應(yīng)的刀盤半徑r0，重型載貨車錐齒輪平均壓力角α取22.5°，小輪參考點(diǎn)螺旋角β1取45°[1]。

然后，進(jìn)行錐齒輪幾何設(shè)計(jì)。用迭代法確定準(zhǔn)雙曲面齒輪的節(jié)錐，采用多次迭代以保證準(zhǔn)雙曲面齒輪中點(diǎn)的極限曲率半徑與刀盤半徑的差值在1%以內(nèi)。以節(jié)錐面幾何參數(shù)為基礎(chǔ)，確定大輪和小輪的輪坯尺寸。

最后，校核齒輪強(qiáng)度。采用格里森法為基礎(chǔ)的強(qiáng)度計(jì)算法對齒根彎曲強(qiáng)度、齒面接觸強(qiáng)度進(jìn)行校核，校核結(jié)果若安全系數(shù)不足或壽命達(dá)不到要求，對上述參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，直至理論校核合格。

1.2 差速器設(shè)計(jì)

選用對稱式圓錐行星齒輪差速器，4個(gè)行星齒輪，根據(jù)大輪轉(zhuǎn)矩Tj、經(jīng)驗(yàn)公式及現(xiàn)有差速器尺寸確定行星輪球面半徑RB，節(jié)錐距A0，根據(jù)推薦值確定行星齒輪齒數(shù)z1、半軸齒輪齒數(shù)z2、模數(shù)m和大端分度圓直徑d，壓力角選用25 °，確定行星輪安裝孔直徑φ和孔深L，完成錐齒輪幾何設(shè)計(jì)[2]。在差速器內(nèi)齒輪設(shè)計(jì)完成后，可進(jìn)行差殼初步設(shè)計(jì)。

1.3 軸承設(shè)計(jì)

小輪采用騎馬式支承以獲得較好的支承剛度，裝于齒輪大端側(cè)軸頸上的軸承，采用兩個(gè)背對背安裝的圓錐滾子軸承，裝于齒輪小端側(cè)軸頸上的軸承為導(dǎo)向軸承，采用圓柱滾子軸承，軸承的型號可根據(jù)齒輪尺寸和載荷初步選定。大輪通過差殼采用兩個(gè)面對面的圓錐滾子軸承進(jìn)行支承，軸承型號可根據(jù)差速器、差殼結(jié)構(gòu)尺寸初步選定，后續(xù)可根據(jù)傳動(dòng)分析結(jié)果進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

2、傳動(dòng)CAE分析模型建立

傳動(dòng)CAE分析軟件具有強(qiáng)大的參數(shù)化建模和智能設(shè)計(jì)功能，只需要輸入?yún)?shù)或?qū)ο嚓P(guān)參數(shù)進(jìn)行修改便可完成建模，對模型施加正確的載荷，就能進(jìn)行系統(tǒng)總體變形下的強(qiáng)度校核計(jì)算。運(yùn)用傳動(dòng)CAE分析軟件建立某商用車橋總成三維模型，如圖1所示。

圖1 傳動(dòng)CAE分析三維模型

通過傳動(dòng)CAE分析軟件校核錐齒輪、軸承、差速器等主要傳動(dòng)件的安全系數(shù)，優(yōu)化齒輪和軸承設(shè)計(jì)參數(shù)，獲得滿足設(shè)計(jì)要求的最優(yōu)齒輪參數(shù)和軸承型號，在傳動(dòng)系設(shè)計(jì)定型后，即可進(jìn)行主減速器殼、差速器殼、橋殼等殼體件的三維設(shè)計(jì)，殼體主要采用包絡(luò)設(shè)計(jì)。

3、剛度矩陣的求解

3.1 有限元模型的建立

由于差殼、減殼和橋殼等殼體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因而采用Pro/E軟件建造三維實(shí)體模型?？紤]到計(jì)算分析的需要，對實(shí)體作了必要的幾何清理，例如去除小倒角、小圓角以及不影響結(jié)構(gòu)的臺階和小圓孔等。

將經(jīng)過幾何清理后的差殼、減殼和橋殼相關(guān)零件模型導(dǎo)入MSC.Nastran，分別建立軸承內(nèi)、外圈模型，如圖2、3所示。

圖2 差殼相關(guān)零件幾何模型

圖3 減殼、橋殼相關(guān)零件幾何模型

采用四面體實(shí)體單元對各個(gè)殼體進(jìn)行網(wǎng)格化分，螺栓連接處采用rbe2連接的方式處理，過盈配合處采用共用節(jié)點(diǎn)的方式處理，差殼、減殼和橋殼等殼體的有限元模型分別如圖4、5所示。

圖4 差速器殼有限元模型

圖5 減殼、橋殼有限元模型

差殼、減殼和橋殼的材料屬性見表1。

表1 差殼、減殼和橋殼的材料屬性

3.2 剛度矩陣的提取

運(yùn)用子結(jié)構(gòu)分析法求解差殼、減殼和橋殼等殼體的剛度矩陣。所謂子結(jié)構(gòu)技術(shù)就是將一組單元用矩陣凝聚為一個(gè)單元過程的技術(shù)，這個(gè)單元稱為超單元。用一個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)控制整個(gè)目標(biāo)面的運(yùn)動(dòng)，稱該節(jié)點(diǎn)為凝聚節(jié)點(diǎn)[3]。

根據(jù)整橋傳動(dòng)CAE分析模型，設(shè)定9個(gè)凝聚節(jié)點(diǎn)：主錐前、中、后軸承中點(diǎn)3個(gè)、差殼軸承中點(diǎn)2個(gè)和輪轂軸承中點(diǎn)4個(gè)。定義并固定這9個(gè)凝聚節(jié)點(diǎn)，運(yùn)用子結(jié)構(gòu)分析法提取減殼剛度矩陣和節(jié)點(diǎn)位置信息。

提取差殼、減殼和橋殼等殼體的剛度矩陣和節(jié)點(diǎn)位置信息的步驟，如圖6所示。

圖6 提取剛度矩陣和節(jié)點(diǎn)位置信息步驟

4、傳動(dòng)CAE分析柔性模塊

4.1 柔性模塊傳動(dòng)CAE分析模型

將差殼、減殼和橋殼等殼體的三維模型以及在MSC. Nastran中提取的剛度矩陣和節(jié)點(diǎn)位置信息導(dǎo)入傳動(dòng)CAE分析模型中，并且建立相應(yīng)的聯(lián)結(jié)，得到的柔性模塊傳動(dòng)CAE分析三維模型。

4.2 傳動(dòng)CAE分析結(jié)果

額定輸出扭矩工況下，在傳動(dòng)CAE分析軟件中運(yùn)行系統(tǒng)變形分析，可以得到考慮差殼、減殼和橋殼等殼體實(shí)際剛度情況下主減速器錐齒輪的安全系數(shù)報(bào)告，如表2所示。

表2 主減速器錐齒輪安全系數(shù)

5、殼體有限元分析

通過傳動(dòng)CAE分析軟件，計(jì)算得到最大輸入轉(zhuǎn)矩工況下車橋總成的系統(tǒng)變形分析結(jié)果。通過傳動(dòng)CAE分析軟件計(jì)算出施加在差殼、減殼和橋殼等殼體各凝聚節(jié)點(diǎn)上的受力情況，將其作為邊界條件[4]，導(dǎo)入MSC.Nastran中進(jìn)行靜力分析，就可以得到殼體的應(yīng)力分布云圖，如圖7、8所示。

圖7 差速器殼應(yīng)力云圖

圖8 減速器殼應(yīng)力云圖

殼體最大應(yīng)力如表3所示。根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果可知：差殼和減殼關(guān)注區(qū)域最大應(yīng)力都小于屈服強(qiáng)度，應(yīng)力水平處于安全范圍內(nèi)。

表3 殼體最大應(yīng)力

5、結(jié)論

本文通過傳動(dòng)CAE分析與MSC.Nastran的相互結(jié)合分析，闡述了某商用車橋主減總成設(shè)計(jì)分析流程，既完成了對主減速器錐齒輪和軸承的強(qiáng)度校核，又實(shí)現(xiàn)了主減速器殼體的有限元分析。

設(shè)計(jì)的主減總成不僅主被動(dòng)錐齒輪的疲勞安全系數(shù)，殼體滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，而且主減總成重量得到了控制，有效地降低了成本，同時(shí)提高了設(shè)計(jì)效率，完成設(shè)計(jì)目標(biāo)。

[1] 齒輪手冊編委會. 齒輪手冊上冊第2版.機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2] 劉惟信. 汽車車橋設(shè)計(jì). 清華大學(xué)出版社，2004.

[3] 馬少坤，丁淼，崔浩東. 子結(jié)構(gòu)分析的基本原理和ANSYS軟件的子結(jié)構(gòu)分析方法[J]. 廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，29(2)：150-153.

[4] 賴姆佩爾. 懸架元件及底盤力學(xué). 吉林：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

Forward Design of A Commercial Axle’s Main Reduction Assembly Based on TransmissionCAE Analysis and MSC.Nastran

He Weicong, Zhang Long, Zheng Xiaoyan
（Shaanxi Hande Axle Co. LTD, Shaanxi Xi'an 710201）

Forward design ofa commercial axle’s main retarderassembly was performed based on the technology which the unite of transmissionCAE analysisand MSC.Nastran. After the bevel gear and bearing the preliminary design is completed, through a transmission CAE analysis software to establish the main by the assembly model and calculate, adjust the bevel gear and bearing design parameters so that it meets the requirements and the final shape. Envelope design is completed by three-dimensional modeling of the relevant housing part.A simulation model of the entire axle was established in the transmissionCAE analysis software and the flexible analysis was performed which the retarder、differential、housings’stiffness matrix and the information of point position was extracted with the method of sub-structure from MSC.Nastran.Finally we can get a optimal design to meet the strength and stiffness requirements.

Commercial Axle’s Main Retarder Assembly; Forward Design; Finite Element Analysis; Transmission Flexible Analysis

U463.2

A

1671-7988 (2016)12-46-03

何維聰，就職于陜西漢德車橋有限公司。