中橋主減速器支撐殼體優化改進

隋景玉，張凱，王海龍，王國元，林方軍

山東蓬翔汽車有限公司 山東煙臺 265607

作為驅動橋上承擔著傳遞轉矩、減速等核心功能的主減速器[1]，其中一個重要指標就是強度滿足性要求，即從內部軸承、齒輪等核心部件到外部支撐殼體都要滿足強度及可靠性要求。此外，在強度和可靠性滿足的前提下，還要將支撐殼體的外形結構設計得布局合理，不得存在有的位置強度過剩而有的位置強度不足這種分配不均、強弱共存的問題，另外還要盡可能地做到輕量化，降低產品成本。

本文以某商用車中橋主減速器外部支撐殼體為研究對象，通過建立三維模型，基于Romax軟件導入載荷譜參數和模型數據，對改進前的殼體進行CAE有限元分析，找出薄弱點，隨后針對薄弱點進行優化改進，最終使改進后的殼體滿足使用要求。

建立主減速器仿真模型

圖1所示為中橋主減速器通過Romax軟件建立的數字化參數模型[2]。其中包含了輸入軸、輸入軸軸承、軸間差速器、主從動圓柱齒輪、主從動錐齒輪、主動錐齒輪軸承和差速器軸承等內部傳動系統全部核心部件，各部件主要參數見表1。

表1 主要參數表

圖1 中橋主減速器Romax模型

殼體模型建立和導入

根據該中橋主減速器方案布置尺寸，結合以往殼體件設計經驗，首先選擇該總成的主要外部支撐殼體，即主減速器外殼和圓柱齒輪外殼的殼體壁厚為14mm，利用creo三維建模軟件設計得到殼體外形圖，如圖2所示。

圖2 減速器外殼和圓柱齒輪外殼三維模型

將以上殼體數據通過HyperMesh軟件劃分網格并編輯材料、約束等分析數據，導入之前的Romax模型，即得到了帶有FE殼體剛度的數字化模型，如圖3所示。

圖3 帶有FE殼體的數字化模型

運行分析與問題查找

對Romax模型的運行分析，首先要確定該傳動系統準確的載荷譜參數。根據QC/T 533-2020，驅動橋的最大輸入轉矩Min可以依據下式確定，即

式中 Min——驅動橋最大輸入轉矩（N·m）

m——汽車最大總質量，kg；

g——重力加速度（m/s2）；

rk——輪胎滾動半徑（m）；

i0——驅動橋減速比；

n——車輛所裝驅動橋數量；

K——強化系數。

經計算得到該中橋主減速器的載荷譜參數（見圖4）：輸入功率677kW，輸入轉矩4310N·m，輸入轉速150r/min，中后橋功率等分，左右輪功率等分。

圖4 載荷譜參數

圖5所示為運行分析得到的結果。從計算結果可以清晰地看到殼體外形設計中存在的薄弱點，最大應力在300MPa以上，超出材料QT450-10本身屈服強度，且殼體總成位移530μm，偏大。另外，還可以看出殼體設計中存在強度不均的問題。因此，如果對以上薄弱點進行加強，則殼體壁厚還存在降低的空間。

圖5 改進前分析結果

殼體優化改進和模型前處理

根據以上Romax數據模型分析結果，對原有殼體件進行優化改進。將主減速器外殼和圓柱齒輪外殼的壁厚由14mm降低為11mm，對剛度薄弱處增加外廓尺寸，對分析結果對應薄弱點設計布置加強筋，并在滿足裝配要求的基礎上盡可能加大薄弱處圓角半徑，以將原設計中應力集中的影響降為最低[3]，優化后的殼體模型如圖6所示。

圖6 優化后殼體三維

同樣，在將優化后的殼體模型導入Romax前，要將此模型導入HyperMesh進行劃分網格[4]，具體步驟如下。

1）對主減速器外殼、圓柱齒輪外殼、主動錐齒輪軸承座和左右差速器軸承蓋等5個殼體依次劃分網格（見圖7）。

圖7 殼體劃分網格

2）對各殼體件導入材料屬性，材料均為QT450-10。

3）各殼體間連接面依次對應選中，建立綁定連接——“TIE”（見圖8）。

圖8 綁定連接面選取

4）整個殼體總成添加約束限位。根據實際工作工況，減速器外殼安裝面添加固定約束，即自由度為0，差速器軸承蓋安裝止口的限位為僅在Z軸方向擁有位移和旋轉自由度，其余自由度均為0（見圖9）。至此，完成了殼體總成在導入Romax前的全部前處理工作。

圖9 殼體總成約束限位

改進后殼體再分析

對改進后模型再次進行分析，計算結果如圖10所示。殼體總成最大應力降低至220MPa以下，滿足材料使用性要求，最大位移大幅降低至337μm，并且殼體中原有應力集中的薄弱節點全部清除，強度、剛度符合性得到明顯提升。

圖10 改進后分析結果

改進前后殼體質量分別為241.3kg和206.3kg，通過優化殼體壁厚，實現降重合計35kg，不僅提升了使用可靠性，還降低了材料成本。

傳動系統滿足性確認

經過以上分析，僅確認了主減速器總成外部支撐殼體的可靠性情況，對內部傳動系各核心部件的承載滿足性也需要進行確認。

首先，對各軸承的承載情況進行分析，由圖11可以得到各軸承的受力方向，以及每一個軸承使用壽命分析情況。表2列出了全部軸承的使用壽命計算結果。從表2可看出，各軸承的ISO損傷均小于100%，壽命滿足使用要求[5]。

圖11 軸承承載和使用壽命分析

表2 軸承使用壽命分析結果

其次，對圓柱齒輪的承載情況進行校核分析，如圖12所示。圖12中，紅色為主動齒面，粉色為從動齒面，圓柱齒輪的承載分析結果見表3，接觸安全系數和彎曲安全系數均＞1，滿足設計要求[6]。

圖12 圓柱齒輪承載分析

表3 圓柱齒輪嚙合運行結果

最后，對主動錐齒輪、從動錐齒輪和差速器半軸、行星輪的承載情況進行校核分析。圖13所示為運行分析得到的最差工況下，最大接觸應力和最大彎曲應力計算結果，根據齒輪材料本身承載能力，計算得到以上齒輪的最小接觸和彎曲疲勞安全系數分別為0.83和1.32，均大于行業內對應的最小許用安全系數0.75和1，滿足設計要求。

圖13 臺架試驗

至此，對于該中橋主減速器總成，從外部支撐殼體到內部核心部件，均已完成全面校核確認，最終完成的方案布置如圖14所示。

圖14 最終方案

結語

本文首先對中橋主減速器建立Romax仿真模型，導入首輪方案的殼體模型數據，通過輸入載荷譜參數進行分析計算，找出殼體本身存在的承載薄弱點，隨后針對薄弱點優化改進三維模型，并穿插著對三維模型導入Romax前使用HyperMesh的前處理步驟進行列述。在對優化后的殼體承載滿足性進行校核后，還對主減速器總成傳動系各核心承載件進行可靠性確認，最終得出了該中橋主減速器的方案設計滿足性結論，并完成了準確而完整的方案圖繪制。