基于Romax的分時4驅汽車用分動器力學特性分析*

李強　夏權　鄭泉　王韋韋（.合肥工業大學，合肥30009；.安徽農業大學，合肥30036）

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基于Romax的分時4驅汽車用分動器力學特性分析*

李強1夏權2鄭泉2王韋韋2
（1.合肥工業大學，合肥230009；2.安徽農業大學，合肥230036）

【摘要】針對對分時4驅汽車用分動器及其部件力學特性分析不足的問題，提出了構建分動器動力學仿真模型以進行力學特性分析的方法。以某款分時4驅汽車用分動器為研究對象，基于Romax軟件建立分動器動力學分析模型，分別進行4驅高速、4驅低速以及兩驅3種工況下的分動器軸承、齒輪和軸等關鍵部件的受力特性分析，得出分動器最大偏移量為118.54 μm以及各擋軸承、軸和齒輪在X、Y、Z 3個方向上的受力。

主題詞:汽車分時4驅分動器力學特性

1　前言

分時4驅汽車作為4驅汽車的一種類型，因能夠實現4驅/兩驅的切換，受到越來越多的客戶青睞。分動器作為實現動力切換的關鍵部件，其設計的好壞直接影響整車傳動系統的性能。國內、外諸多學者在4驅汽車傳動系統方面開展了諸多研究，如陳黎卿針對智能4驅汽車分動器開展了系列研究[1～4]；馬文博基于Ro?max的計算機有限元仿真求解得出6速自動變速器各擋位工作時齒輪、軸承和軸所對應的應力和疲勞壽命，提高了自動變速器的設計精度[5]；趙志國等人通過Ro?max建立驅動橋傳動系統模型，分析了各工況對支承軸承壽命的影響[6]；彭國民等人通過分析齒面載荷分布情況，對齒輪進行齒形修形，并研究了齒輪嚙合特性對剛度的影響[7、8]。

目前在傳動系統部件設計方面已經取得了諸多研究成果，但是針對分時4驅汽車的分動器設計研究方面尚不多見，本文基于Romax軟件對該類型分動器進行設計研究。

2　分動器輸入載荷譜的確定

某款分時4驅汽車傳動系統的相關技術參數如表1所列。該車輛所配分動器可以進行4驅/兩驅的切換，且4驅工況下還可以進行高速擋和低速擋的切換。實際情況下一般忽略發動機輸出功率的變化，只研究發動機輸出最大扭矩及變速器處于1擋和倒擋時分動器的輸入扭矩，因此分動器的最大輸入扭矩計算公式為：

式中，Mm為發動機最大輸入扭矩；i1為變速器速比；η1為變速器最低擋的傳動效率，取η1=0.9。

表1某款分時4驅汽車相關參數

3　基于Romax的分動器傳動系統建模

分動器傳動系統較為復雜，建模困難，因此在不影響結果的前提下進行模型簡化。根據傳動路徑，建立兩驅（2H）、4驅高速擋（4H）和4驅低速擋（4L）3種工況下的仿真模型，如在4L工況中，動力傳遞路徑為輸入軸-太陽軸-太陽輪-行星架軸-中間軸-后輸出軸-前輸出軸，輸入軸至太陽軸的花鍵、行星架至中間軸的花鍵和中間軸至后輸出軸的花鍵用剛性連接代替。在2H、4H工況時，動力不經行星輪傳遞，由太陽軸傳遞到中間軸，此時輸入軸至太陽軸的花鍵、太陽輪至中間輪、中間軸至后輸出軸的花鍵用剛性連接代替。分動器傳動系統2H、4H和4L 3種工況模型如圖1所示。

圖1　4L、4H、2H工況下的分動器傳動系統模型

4　分析結果

4.14L工況下的靜態分析

在確認齒輪箱幾何尺寸無誤后，在輸入軸上定義輸入載荷的位置，在前、后輸出軸上定義輸出載荷的位置，分動器輸入功率載荷如表2所列。根據表2對4L工況進行靜態分析，得到傳動系統的偏移量如圖2所示。各軸靜態分析結果如圖3～圖5所示。

表2分動器輸入功率載荷

圖2　4L工況下的傳動系統偏移量幅值

圖3　4L工況下后輸出軸靜態分析

圖5　4L工況下輸入軸靜態分析

圖44L工況下前輸出軸靜態分析

軸承力和剛性連接力用笛卡爾直角坐標系X、Y、Z 3個方向的分力表示，實際上是表示軸承與軸承座孔和殼體之間的作用力和反作用力的大小，兩者數值相等，方向相反，由傳動軸承和行星輪組的齒圈將受力傳遞給殼體部件，殼體受力如表3所示。在X、Y、Z方向所受的合力理論值都應該為0，整體才處于平衡狀態，而在4L工況的正反轉工況下，X、Y、Z的合力最大值為0.1 N，表示傳動系統的受力分析較為準確。

4.24H工況下的靜態分析

在確認齒輪箱幾何尺寸無誤后，在輸入軸上定義輸入載荷的位置，在前、后輸出軸上定義輸出載荷的位置。根據表2中4H工況下的運行時間、輸入轉速和輸入轉矩，在載荷譜中添加4H正轉和反轉工況，進行靜態分析。分析得到傳動系統的偏移量如圖6所示。各軸靜態分析結果如圖7～圖9所示。可見傳動系統的最大偏移量為44.79 μm，出現在反轉工況下，位于后輸出軸的傳動鏈主動輪處。

表34L工況時分動器主要部件受力N

圖6　4H工況下的傳動系統偏移量幅值

4H工況下殼體受力如表4所列。殼體在X、Y、Z方向所受合力的理論值都應為0，使整體處于平衡狀態，實際上在4H的正、反轉工況下X、Y、Z的合力都為0，因而表示傳動系統的受力分析較為準確。

圖7　4H工況下后輸出軸靜態分析

圖8　4H工況下前輸出軸靜態分析

圖9　4H工況下輸入軸靜態分析

表44H工況時分動器主要部件受力　N

4.32H工況下的靜態分析

在確認齒輪箱幾何尺寸無誤后，在輸入軸上定義輸入載荷的位置，在后輸出軸上定義輸出載荷的位置，根據表2中2H工況下的運行時間、輸入轉速和輸入轉矩，在載荷譜中添加2H正轉和反轉工況，進行靜態分析。分析得到軸的偏離結果如圖10所示。在2H工況下，由于分動器輸入軸和后輸出軸通過中間軸相連，行星架空轉，主動鏈輪和后輸出軸分離，無齒輪傳動和鏈傳動，此時軸承受力都為0。

圖10　2H工況下的傳動系統偏移量幅值

5結束語

文章基于Romax軟件對分時4驅汽車用分動器進行了3種工況下的仿真分析，得到分動器軸、軸承的力學特性，分析得出分動器最大偏移量為118.54 μm，同時得出在3種工況中后輸出軸都是偏移量最大部件的結論。

參考文獻

1陳黎卿，陳無畏，王鈺明，等.智能4驅汽車分動器殼體有限元分析與模態試驗.中國機械工程，2013，24（16）：2168～2194.

2陳黎卿，張棟，陳無畏.基于流固耦合的分動器齒輪兩相流動數值模擬與試驗.農業工程學報,2014，30（4）:54～61.

3陳黎卿,鄭媛媛,陳無畏,等.基于適應性重構的分動器設計系統開發.機械設計，2013,30（7）：1～4.

4王亮,鄭泉,陳黎卿,等.面向多目標滿意度的分動器與整車匹配優化.機械設計,2015，32（7）:20～24.

5馬文博.汽車新型六速自動變速器的CAE分析研究:[學位論文].合肥：合肥工業大學，2009.

6祁玲華.汽車變速器NVH的測試分析與改進:[學位論文].南昌：華東交通大學，2009.

7趙志國，李海濤，等.45 t鉸接式自卸車驅動橋支承軸承疲勞壽命分析.煤礦機械，2010,31（9）:87～89.

8彭國民，康黎云，任海軍.變速器齒輪傳遞誤差分析與優化.中國汽車工程學會年會論文集，2010.

（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2016年2月1日。

Mechanical Characteristics Analysis of Part-time 4WD Vehicle Transfer Case based on Romax

Li Qiang1,Xia Quan2,Zheng Quan2,Wang Weiwei2
（1.Hefei University of Technology,Hefei 230009;2.Anhui Agricultural University,Hefei 230036）

【Abstract】To address the issue of insufficient analysis of transfer case and components mechanical property for parttime 4WD vehicle,it is proposed in this paper to build transfer case dynamic simulation model to make mechanical property analysis.With a part-time 4WD vehicle transfer case as the research object,we make the mechanical property analysis on some critical parts like transfer case bearing,gear and shaft,etc.in three driving modes of high-speed 4WD, low-speed 4WD and 2WD based on the transfer case dynamics analysis model in Romax software,and it is concluded that the maximum offset of the transfer case is 118.54μm,stress of bearings,shafts,and gears at X-,Y-and Z direction is also obtained.

Key words:Vehicle,Part-time 4WD,Transfer case,Mechanical properties

中圖分類號:U464.1

文獻標識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）03-0045-04

*基金項目：國家自然基金項目（NO：51305004）；安徽省高校自然科學重點項目（NO:KJ2015A305）。