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差速器壳体断裂的CAE计算分析 |
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作者：辽宁曙光汽车集团公司技术中心 郭迎春 来源：AI汽车制造业 |
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差速器是汽车驱动桥总成中的主要功能部件，其作用是向车桥的两边半轴传递动力的同时，允许两边半轴以不同的转速旋转，满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式做不等距行驶，减少轮胎与地面的摩擦。差速器的重要性可想而知，在用户使用的过程中，如果差速器出现任何故障，都会影响整车的正常安全行驶。
某轻型车的售后反馈资料显示，该车差速器的常见故障中，差速器的壳体易出现早期失效断裂，影响用户使用。为找出该车型差速器壳体早期失效断裂的原因，我们对其进行了多种装配关系的对比分析，希望为判断失效原因和结构改进提供理论依据。
CAD建模和有限元模型处理
该车型差速器的CAD三维数模见图1-a，这是我们进行进一步结构强度分析和优化改进的基础。通过ANSYS软件的专用接口，我们将这个CAD三维数模读入ANSYS WORKBENCH分析环境当中进行计算和分析。
图1 差速器的CAD三维数模及其CAE网格模型
该零件的材料为QT450-10，弹性模量为1.73e5MPa，泊松比为0.3，密度为7.0e3kg/m3，屈服极限为310MPa，抗拉强度为450MPa。在ANSYS WORKBENCH分析环境中，根据差速器结构的实际运动状态，我们将其边界条件选择在一字轴孔和一字轴销孔处，然后根据设计载荷在模型上施加扭矩。
考虑到实际结构的装配间隙情况，我们分三种极限工况：一是销轴与销轴孔间隙大于一字轴与一字轴孔间隙；二是销轴与销轴孔间隙等于一字轴与一字轴孔间隙；三是销轴与销轴孔间隙小于一字轴与一字轴孔间隙。
另外，考虑到该零件的断裂可能是由于局部应力集中过大造成的，本次分析采用实体单元，并尽量控制网格大小和密度，共划分为269456个节点，88192个单元，得到CAE网格模型如图1-b所示。
CAE的计算结果
我们采用线弹性计算方法，同时也基于销轴、一字轴没有损坏的前提条件下，对差速器壳体的强度进行计算和分析。
通过计算可得到各种孔配合间隙情况中，三种极限工况下的最大应力值分别为：销轴与销轴孔间隙大于一字轴与一字轴孔间隙时为408.37MPa，销轴与销轴孔间隙等于一字轴与一字轴孔间隙时为317.55MPa，销轴与销轴孔间隙小于一字轴与一字轴孔间隙时为326.89MPa。三种工况下的局部应力分布如图2所示。
图2 三种极限工况下的局部应力分布
结论
从CAE计算分析的结果来看，该差速器壳体的局部存在较大的应力集中问题，并且出现了超过材料屈服极限的情况。
我们的分析结论和建议如下：
1. 不同的装配间隙对局部的受力情况有很大影响，因此，在零件的设计过程中就应注意不同的间隙配合，做出更合理的设计，并在零件的加工中对工艺方案及配合公差做出严格的控制。
2. 销轴孔处最大应力值所出现的位置和大小与销轴大小有关，本文是按照销轴与销轴孔长度一致计算的。结果显示，较大应力主要发生在有销轴一侧，建议在设计改进中适当调整销轴孔位置，使其与一字轴相交处的壁厚内外均匀一些，同时可考虑增加结构在此处的整体厚度。
3. 三种极限工况下的最大应力值均产生在销轴孔与一字轴孔相交处，并且处于内侧孔壁相对较薄的地方。虽然最大应力值没有超过材料的强度极限450MPa，但最大值都超过了屈服极限310MPa，可见这种情况下极易导致疲劳损坏，而实际结构在最大应力处也是处于交变载荷作用的，如果上述薄弱部位存在材质缺陷，那就更容易导致非正常的早期结构失效断裂问题。(end)
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(11/15/2008) |
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