基于Romax的差速器壳体故障分析及设计优化

张凯，胡顺安，林方军，宋建平，王国元，狄超群

(1.山东蓬翔汽车有限公司，山东烟台 265600；2.常熟理工学院，江苏苏州 215500)

0 引言

驱动桥是重型汽车的主要总成之一[1]，其功用主要包括：增大变速器传来的扭矩；改变传动方向；将动力合理地传递给两侧车轮。驱动桥在传递扭矩过程中主要在主减速器内工作，其中主减速器包含差速器[2]，差速器将动力从主从动锥齿轮向两侧车轮传递扭矩。差速器在传递扭矩过程中需要较高的强度，才能支撑从动锥齿轮正常的运转。由于主减速器内存在准双曲面齿轮，该齿轮受力计算复杂，李玉丽、樊智涛等[3-4]利用ANSYS等软件针对汽车差速器进行了相关研究，但计算并未准确导入准双曲面齿轮，由于准双面齿轮计算较为复杂，需要引入专业的齿轮设计软件进行计算分析。根据客户台架测试反馈的故障信息，利用Romax软件中的Enduro模块进行了差速器壳体建模，针对客户进行的反拖工况进行了建模分析，并找到了与故障模式相符的差速器壳体薄弱点并加以改进。

1 故障模式

如图1所示的某型号产品，在给客户批产前进行了小批量试装，客户在接收公司产品后进行了反拖工况的台架测试，出现了差速器壳体刷圈和断裂的故障(图2)。

图1 主减速器总成示意

图2 差速器壳体刷圈及开裂故障

根据故障信息反馈，差速器壳体断裂于齿轮配合处的R2圆角处刷圈以及十字轴孔附近如图3所示。

图3 差速器壳体模型

2 分析模型建立

利用Romax对该故障型号主减速器进行简化建模，如图4模型所示。

图4 Romax减速器模型

由于Romax自身建立的只是虚拟轴系统，并不能真实反映差速器壳体的应力。只能根据模型计算出由从动锥齿轮作用在差速器壳体上的轴向力。需要再利用Abaqus将准确的差速器壳体进行网格划分，导出有限元刚度模型，再将准确的三维差速器壳体模型导入到Romax系统中，以此就能准确地将差速器壳体支撑刚度导入到Romax中，如图5所示。再利用系统计算出来的齿轮啮合时的轴向力，进一步将轴向力传递到差速器壳体上，以此得出准确的差速器壳体应力分布。并对模型按照客户要求的统一的台架测试QC/T 533—1999标准要求进行载荷谱加载分析，具体见表1。

图5 差速器壳体有限元模型

表1 减速器加载载荷谱

在Romax中进行加载分析后，如图6所示为差速器壳体在该载荷谱的有限元应力情况。

图6 差速器壳体有限元应力模型

有限元分析后R2圆角处应力超过580 MPa，十字轴孔附近应力超过460 MPa。差速器壳体材料为QT600-3，σb=600 MPa，差速器壳体最大应力几乎接近差速器壳体的强度极限。可以说明在该载荷谱下差速器壳体强度不足，和台架测试损坏结果基本一致,需要针对模型进行进一步加强。

3 模型改进及验证

根据分析结果分别对差速器壳体的应力较大部分进行了加强，分别将图3中R2圆角增加到R9，R10增加到R15，将优化后的模型导入Romax进行有限元分析,得出如图7结果。

图7 加强后差速器壳体有限元应力模型

有限元分析R9及R15圆角处应力约305 MPa，优化后的安全系数达到1.97，差速器壳体材料强度足以覆盖差速器壳体最大应力。可以说明改进后的差速器壳体在该载荷谱下差速器壳体强度已满足设计和使用要求。

为了验证有限元分析的结果，将优化后的减速器总成进行了台架实际测试，并完全按照软件设定的载荷谱进行加载，得出结果较为理想，达到测试时间后，差速器壳体并未损坏，拆解后对差速器壳体进行了探伤，也并未发现裂纹。

图8 台架测试后差速器壳体探伤

4 结论

经过Romax建模分析以及导入准确差速器壳体进行有限元分析，并对测试结果进行了台架验证。结果说明将差速器壳体以有限元模型的方式导入到Romax软件中进行受力分析的方式比较可靠，能够准确地显示应力较大的部位和数值。由于准双曲面齿轮的复杂性，无法单纯地依靠有限元模型模拟差速器壳体的受力情况，在导入Romax软件后，可以准确地反映出差速器在反拖工况下轴向力较大，通过Romax对比优化前后的状态，提供了优化方向，优化后的差速器总成顺利地通过了台架测试。