基于传动CAE分析与MSC.Nastran的某商用车桥主减总成正向设计

何维聪，张龙，郑小艳

（陕西汉德车桥有限公司，陕西 西安 710201）

基于传动CAE分析与MSC.Nastran的某商用车桥主减总成正向设计

何维聪，张龙，郑小艳

（陕西汉德车桥有限公司，陕西 西安 710201）

采用传动CAE分析与MSC.Nastran相结合的技术对某商用车桥主减总成进行正向设计。在锥齿轮和轴承初步设计完成后，通过传动CAE分析软件建立主减总成分析模型并计算，调整锥齿轮和轴承的设计参数使其符合要求并最终定型，采用包络设计完成相关壳体件的三维建模。使用子结构法从MSC.Nastran中提取差壳、减壳和桥壳等壳体的刚度矩阵和节点位置信息，在传动CAE分析软件中建立整桥仿真分析模型并进行柔性分析，得到考虑差壳、减壳和桥壳等壳体实际刚度的锥齿轮安全系数，将分析得到的数据作为边界条件导入有限元模型中，得到满足强度和刚度要求下的最优设计。

商用车桥主减总成；正向设计；有限元分析；传动柔性分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.016

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-46-03

引言

创新是国家和企业发展的生命源泉，通过正向设计能够在产品顶层实现创新驱动，从而掌握车桥设计的关键和核心技术，这是走车桥自主创新的必然之路。

通过定义客户需求，进行锥齿轮和轴承的初步设计，在传动CAE分析软件建立分析模型并完成传动分析，根据计算结果选出齿轮和轴承的最优参数。利用传动CAE分析软件中的结构柔性模块，工程设计人员可以在各种工况下精确地计算齿轮和轴承的错位量、受力和安全系数等参数，还可以借助MSC.Nastran计算壳体的最大应力和变形量等信息。该方法在进行壳体有限元分析时能得到准确的轴承受力边界条件，并能得到考虑壳体实际刚度的齿轮安全系数，提高了分析结果的准确性。通过这种由内而外的正向设计，极大的提高了设计效率。

1、传动件设计

1.1 准双曲面齿轮设计

首先，确定基本参数。已知大轮转矩Tj和主减速比i0范围，可确定大轮大端分度圆直径d2，小轮齿数z1、大轮齿数z2。根据经验公式可确定小轮偏置距E、大轮大端端面模数mt2。通过计算大轮分度锥角初值δ20和大轮大端锥距初值Re2，得到大轮齿宽b2。根据d2的值选择相应的刀盘半径r0，重型载货车锥齿轮平均压力角α取22.5°，小轮参考点螺旋角β1取45°[1]。

然后，进行锥齿轮几何设计。用迭代法确定准双曲面齿轮的节锥，采用多次迭代以保证准双曲面齿轮中点的极限曲率半径与刀盘半径的差值在1%以内。以节锥面几何参数为基础，确定大轮和小轮的轮坯尺寸。

最后，校核齿轮强度。采用格里森法为基础的强度计算法对齿根弯曲强度、齿面接触强度进行校核，校核结果若安全系数不足或寿命达不到要求，对上述参数进行调整，直至理论校核合格。

1.2 差速器设计

选用对称式圆锥行星齿轮差速器，4个行星齿轮，根据大轮转矩Tj、经验公式及现有差速器尺寸确定行星轮球面半径RB，节锥距A0，根据推荐值确定行星齿轮齿数z1、半轴齿轮齿数z2、模数m和大端分度圆直径d，压力角选用25 °，确定行星轮安装孔直径φ和孔深L，完成锥齿轮几何设计[2]。在差速器内齿轮设计完成后，可进行差壳初步设计。

1.3 轴承设计

小轮采用骑马式支承以获得较好的支承刚度，装于齿轮大端侧轴颈上的轴承，采用两个背对背安装的圆锥滚子轴承，装于齿轮小端侧轴颈上的轴承为导向轴承，采用圆柱滚子轴承，轴承的型号可根据齿轮尺寸和载荷初步选定。大轮通过差壳采用两个面对面的圆锥滚子轴承进行支承，轴承型号可根据差速器、差壳结构尺寸初步选定，后续可根据传动分析结果进行调整优化。

2、传动CAE分析模型建立

传动CAE分析软件具有强大的参数化建模和智能设计功能，只需要输入参数或对相关参数进行修改便可完成建模，对模型施加正确的载荷，就能进行系统总体变形下的强度校核计算。运用传动CAE分析软件建立某商用车桥总成三维模型，如图1所示。

图1 传动CAE分析三维模型

通过传动CAE分析软件校核锥齿轮、轴承、差速器等主要传动件的安全系数，优化齿轮和轴承设计参数，获得满足设计要求的最优齿轮参数和轴承型号，在传动系设计定型后，即可进行主减速器壳、差速器壳、桥壳等壳体件的三维设计，壳体主要采用包络设计。

3、刚度矩阵的求解

3.1 有限元模型的建立

由于差壳、减壳和桥壳等壳体结构比较复杂，因而采用Pro/E软件建造三维实体模型。考虑到计算分析的需要，对实体作了必要的几何清理，例如去除小倒角、小圆角以及不影响结构的台阶和小圆孔等。

将经过几何清理后的差壳、减壳和桥壳相关零件模型导入MSC.Nastran，分别建立轴承内、外圈模型，如图2、3所示。

图2 差壳相关零件几何模型

图3 减壳、桥壳相关零件几何模型

采用四面体实体单元对各个壳体进行网格化分，螺栓连接处采用rbe2连接的方式处理，过盈配合处采用共用节点的方式处理，差壳、减壳和桥壳等壳体的有限元模型分别如图4、5所示。

图4 差速器壳有限元模型

图5 减壳、桥壳有限元模型

差壳、减壳和桥壳的材料属性见表1。

表1 差壳、减壳和桥壳的材料属性

3.2 刚度矩阵的提取

运用子结构分析法求解差壳、减壳和桥壳等壳体的刚度矩阵。所谓子结构技术就是将一组单元用矩阵凝聚为一个单元过程的技术，这个单元称为超单元。用一个节点的运动控制整个目标面的运动，称该节点为凝聚节点[3]。

根据整桥传动CAE分析模型，设定9个凝聚节点：主锥前、中、后轴承中点3个、差壳轴承中点2个和轮毂轴承中点4个。定义并固定这9个凝聚节点，运用子结构分析法提取减壳刚度矩阵和节点位置信息。

提取差壳、减壳和桥壳等壳体的刚度矩阵和节点位置信息的步骤，如图6所示。

图6 提取刚度矩阵和节点位置信息步骤

4、传动CAE分析柔性模块

4.1 柔性模块传动CAE分析模型

将差壳、减壳和桥壳等壳体的三维模型以及在MSC. Nastran中提取的刚度矩阵和节点位置信息导入传动CAE分析模型中，并且建立相应的联结，得到的柔性模块传动CAE分析三维模型。

4.2 传动CAE分析结果

额定输出扭矩工况下，在传动CAE分析软件中运行系统变形分析，可以得到考虑差壳、减壳和桥壳等壳体实际刚度情况下主减速器锥齿轮的安全系数报告，如表2所示。

表2 主减速器锥齿轮安全系数

5、壳体有限元分析

通过传动CAE分析软件，计算得到最大输入转矩工况下车桥总成的系统变形分析结果。通过传动CAE分析软件计算出施加在差壳、减壳和桥壳等壳体各凝聚节点上的受力情况，将其作为边界条件[4]，导入MSC.Nastran中进行静力分析，就可以得到壳体的应力分布云图，如图7、8所示。

图7 差速器壳应力云图

图8 减速器壳应力云图

壳体最大应力如表3所示。根据应力分析结果可知：差壳和减壳关注区域最大应力都小于屈服强度，应力水平处于安全范围内。

表3 壳体最大应力

5、结论

本文通过传动CAE分析与MSC.Nastran的相互结合分析，阐述了某商用车桥主减总成设计分析流程，既完成了对主减速器锥齿轮和轴承的强度校核，又实现了主减速器壳体的有限元分析。

设计的主减总成不仅主被动锥齿轮的疲劳安全系数，壳体满足结构强度要求，而且主减总成重量得到了控制，有效地降低了成本，同时提高了设计效率，完成设计目标。

[1] 齿轮手册编委会. 齿轮手册上册第2版.机械工业出版社，2010.

[2] 刘惟信. 汽车车桥设计. 清华大学出版社，2004.

[3] 马少坤，丁淼，崔浩东. 子结构分析的基本原理和ANSYS软件的子结构分析方法[J]. 广西大学学报(自然科学版)，2004，29(2)：150-153.

[4] 赖姆佩尔. 悬架元件及底盘力学. 吉林：吉林科学技术出版社，1991.

Forward Design of A Commercial Axle’s Main Reduction Assembly Based on TransmissionCAE Analysis and MSC.Nastran

He Weicong, Zhang Long, Zheng Xiaoyan
（Shaanxi Hande Axle Co. LTD, Shaanxi Xi'an 710201）

Forward design ofa commercial axle’s main retarderassembly was performed based on the technology which the unite of transmissionCAE analysisand MSC.Nastran. After the bevel gear and bearing the preliminary design is completed, through a transmission CAE analysis software to establish the main by the assembly model and calculate, adjust the bevel gear and bearing design parameters so that it meets the requirements and the final shape. Envelope design is completed by three-dimensional modeling of the relevant housing part.A simulation model of the entire axle was established in the transmissionCAE analysis software and the flexible analysis was performed which the retarder、differential、housings’stiffness matrix and the information of point position was extracted with the method of sub-structure from MSC.Nastran.Finally we can get a optimal design to meet the strength and stiffness requirements.

Commercial Axle’s Main Retarder Assembly; Forward Design; Finite Element Analysis; Transmission Flexible Analysis

U463.2

A

1671-7988 (2016)12-46-03

何维聪，就职于陕西汉德车桥有限公司。