重型貨車差速器傳動柔性分析

陜西漢德車橋有限公司 （西安 710299） 鄭小艷 丁煒琦

差速器是重型貨車驅動橋總成中的主要功能部件，本文利用專業傳動分析軟件對差速器進行建模，并在有限元軟件中運用子結構法提取差殼的剛度矩陣和節點位置信息并導入傳動分析模型中，對差速器進行柔性分析，并將分析報告作為邊界條件導回差速器有限元模型中，以實現對差速器的有限元分析。

1.差速器傳動分析原始模型

對某重型貨車差速器進行建模，只需要輸入參數或對相關參數進行修改便可完成建模，對模型施加正確的載荷，就能進行系統總體變形下的強度校核計算。但是，傳動分析軟件對于復雜的軸和殼體等模型的建立有一定的局限性，只能通過建立中心對稱軸的方式代替復雜幾何模型，這樣必然影響復雜幾何模型的剛度、強度，進而影響最終結果的準確性。差速器三維模型分析如圖1所示。

圖1 差速器三維傳動分析模型

2.剛度矩陣的求解

由于差速器殼體結構比較復雜，因而采用Pro/E軟件建造差速器殼體的三維實體模型。考慮到計算分析的需要，對實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構的臺階和小圓孔等。

將差速器殼體模型導入有限元軟件后，建立被動錐齒輪節錐和軸承內圈模型，如圖2所示。

圖2 差速器殼、被動錐齒輪和軸承內圈有限元幾何模型

采用四面體實體單元對大小差殼、錐齒輪和軸承座內圈進行網格化分，大小差殼接合面、被動錐齒輪和大差殼配合面以及軸承內圈與大小差殼接合面都采用共用節點的方式處理，如圖3所示。

圖3 差速器有限元模型

差速器殼體的材料為45鋼。提取差速器剛度矩陣和節點位置信息的分析步驟如圖4所示。

用1個節點的運動控制整個目標面的運動，稱該節點為凝聚節點。根據差速器傳動分析模型，設定3個凝聚節點：錐齒輪理論嚙合點處1個和軸承中點處2個，如圖5所示。定義并固定3個凝聚節點，運用子結構分析法提取差速器剛度矩陣和節點位置信息。

3.傳動分析結果

圖4

圖5 差速器凝聚節點

將差速器三維模型（.wrl文件）以及在有限元軟件中提取的剛度矩陣、節點位置信息導入傳動分析模型中，并且建立相應的聯結，得到的傳動分析模型如圖6所示。

運行傳動分析軟件后，進入系統變形模塊，分別得到不考慮和考慮差速器殼體實際剛度兩種情況下，主減速器錐齒輪的安全系數報告，如附表所示。

圖6 柔性模塊差速器三維傳動分析模型

主減速器錐齒輪安全系數表

顯然，從以上結果可以看出：差速器殼體實際剛度對計算結果的真實性有著直接的影響，考慮差速器殼體的實際剛度之后，主減速器錐齒輪的安全系數降低，主動錐齒輪的彎曲疲勞安全系數小于1，不滿足設計要求。因此，運用傳動分析柔性模塊在實際分析過程中有著非常重要的作用。

4.差速器殼體有限元分析

進入傳動分析軟件的系統變形分析模塊，可以得到差速器機構的系統變形分析結果，并計算出各工況下差速器凝聚節點的受力情況和位移報告，將其作為差速器殼體的邊界條件，導入有限元中進行靜力分析，就可以得到差速器大殼和小殼在最大載荷工況下的應力分布云圖，如圖7、圖8所示。

圖7 大差殼米塞斯應力云圖

圖8 小差殼米塞斯應力云圖

在最大載荷工況下的大差殼最大應力為383MPa，小差殼最大應力為232MPa。45鋼的許用應力為368MPa，大差殼的最大應力超過許用應力，不滿足設計要求。

5.結語

本文通過專業傳動分析軟件與有限元軟件的無縫聯結，闡述了某重型貨車差速器傳動柔性分析流程，既完成了對主減速器錐齒輪的強度校核，又實現了差速器殼體的有限元分析，其意義主要體現在以下三個方面：

（1）清晰地看出差速器殼體剛度對主減速器錐齒輪安全系數的影響程度。

（2）為差速器殼體的有限元分析提供了準確的邊界條件。

（3）通過差速器殼體的有限元分析，可以進一步實現對差速器殼體的優化設計。