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汽车主减速器壳体轻量化有限元分析 |
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作者：刘立萍 赵涛 朱东红 陈学峰 |
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摘要：主减速器壳体是驱动桥的重要部件之一，传统主减速器壳体采用球墨铸铁材料，重量相对较重，随着汽车产品轻量化要求的提高和新材料的发展，铝镁合金在汽车中的应用越来越广泛，本文介绍汽车主减速器壳体轻量化有限元分析。
关键词：减速器壳体 轻量化 有限元 Nastran
1 前言
有限元法是一种现代化的机构设计计算方法，在一定的前提条件下，它可以计算各种机械零件的强度，表征任何部位的应力和变形。从而成为汽车零部件优化的重要工具。本文以主减速壳体为研究对象，用有限元方法计算不同材料和极限工况下主减速器壳体的应力和变形，论证用镁铝合金替代球墨铸铁的可行性，在不降低性能的前提下减轻主减速器壳体重量。福田汽车多年来致力于汽车轻量化研究和改进，积累了大量经验，取得了可观的经济效益。
2 主减速器相关设计参数
整车相关设计参数如表2-1表2-1 整车相关设计参数
 减速齿轮相关设计参数如表2-2表2-2 减速齿轮相关设计参数
 3 主减速器壳体有限元模型
3.1 主减速器壳体的功能和类型
主减速器壳体是主减速器的座舱，提供对主减速器的支承、防护，承受传动轴、车架和道路传递的载荷。主减速器壳体根据主动齿轮的支承形式及安置方式的不同，分为悬臂式和骑马式两种。
（1） 悬臂式
悬臂式是指主动齿轮以其轮齿大端的一侧轴颈悬臂式地支承于一对轴承上。为了增强主减速器壳体的支承刚度，应使两轴承中心间的距离比齿轮齿面宽中点的悬臂长度大2 倍以上。
（2） 骑马式
骑马式是指齿轮前后两端的轴颈均以轴承支承，故又称为两端支承。骑马式支承使支承刚度大为增加，使齿轮在载荷作用下的变形大为减小。
本文涉及的主减速器壳体的主动齿轮的支承形式为悬臂式。
3.2 主减速器壳体有限元模型
为了准确建立主减速器壳体的强度分析边界条件，建立了包括主减速器托架、悬置和内部齿轮的有限元分析模型，由于主减速器壳体和主减速器之间安装有轴承，所以主减速器壳体和输入输出轴之间释放旋转自由度，且认为传动轴传递的最大输出扭矩和整个主减速器系统达到了瞬时受力平衡。主减速器壳体采用四面体单元，其它实体类模型也都采用四面体单元，薄壁件采用壳单元，减速器悬置采用弹性单元，连接单元采用了rb2 和rb3 单元，同时计算和加载了输入扭矩、输出扭矩和齿面间的圆周力、径向力和轴向力。有限元模型如图3.1 所示：
图3.1 主减速器系统有限元模型
图3.1 中，(a)为主减速器壳体；（b）主减速器悬挂及内部齿轮。
4 材料参数
减速器壳体材料参数如表4-1表4-1 材料参数
 5 边界条件
5.1 行驶环境的影响
车辆在道路行驶过程中，因道路环境和驾驶习惯的不同，使车辆经常受到道路载荷的冲击，受转弯制动引起的惯性力冲击，而这些冲击与最大扭矩造成的影响相比相对很小，对主减速器壳体强度影响小，可以不予考虑。
5.2 最大扭矩的影响
根据主减速器的功能和工作特点，在车辆一挡行驶和倒车时受最大扭矩作用，计算工况分别考虑了一挡和倒挡的扭矩。
5.3 减速器壳体材料的影响
由于铝镁合金与球墨铸铁的弹性模量不同，计算应力和变形有较大差距，计算工况考虑了材料的影响。
5.4 驱动桥类型的影响
驱动桥分断开式驱动桥和非断开式驱动桥，两种形式驱动桥半轴支承方式不同，与主减速器的连接方式不同，对减速器壳体强度影响较小。本文涉及断开式驱动桥的主减速器壳体。
5.5 减速器壳体最终确定的计算工况
一挡驱动、采用球墨铸铁材料的强度计算：
一挡驱动、采用铝镁合金材料的强度计算：
倒挡驱动、采用球墨铸铁材料的强度计算：
倒挡驱动、采用铝镁合金材料的强度计算：
6 有限元分析计算和结果分析
6.1 强度计算
根据设定的四种计算工况，用nastran 计算应力，用femfat 计算安全系数，减速器壳体最大应力和安全系数如下：
减速器壳体应力结果如表6-1，应力云图如图6.1：表6-1 减速器壳体应力计算结果
 
图6.1 减速器壳体应力云图
从计算结果可以看出，采用球墨铸铁材料时，无论是一挡还是倒挡，极限工况最大应力没有超过材料的屈服极限；而采用铝镁合金材料时，在倒挡工况，最大极限应力超过了材料的屈服极限，但没有超过材料的强度极限。
考虑倒挡不是常用工况，且最大极限应力没有超过材料强度极限，减速器壳体在实物试验支持下可以尝试采用铝镁合金材料。
采用球墨铸铁材料和采用铝镁合金材料减速器壳体的重量对比如表6-2：表6-2 采用球墨铸铁材料和采用铝镁合金材料减速器壳体的重量对比
 通过重量对比可以看出，采用铝镁合金减速器壳体比球墨铸铁材料轻13 公斤，有效地减轻了减速器壳体重量。
6.2 自由模态计算
减速器壳体不仅要满足强度要求，同时要满足NVH 要求，故计算了主减速器壳体的自由模态，主减速器壳体自由模态计算结果如表6-3表6-3 自由模态计算结果
 从自由模态计算结果可以看出，主减速器壳体采用铝镁合金和采用球墨铸铁材料模态性能相当，不影响NVH 性能。
7 结论
本文建立了主减速器壳体的有限元分析模型，完成了强度计算和模态，认为汽车主减速器壳体在实物试验支持下，可以尝试采用铝镁合金材料，通过铝镁合金对球墨铸铁的置换，可以降重13 公斤，有效地减轻了主减速器壳体的重量。
作者简介
刘立萍，女，硕士，高级工程师，结构耐久性分析工程师，北汽福田汽车股份有限公司汽车工程研究院分析中心计算分析所。联系方式：liuliping2@foton.com.cn(end)
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(3/27/2011) |
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