有限元分析在弹性隔套设计中的应用

冯立 谢玉琳 蔡卓琳 任良顺

1.上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州市 545007 2.柳州孔辉汽车科技有限公司 广西柳州市 545007

1 引言

隔套是汽车主减速器的一个重要零件，其主要作用是支撑轴承并给轴承提供稳定的轴向预紧力。目前，对主齿轴承间隙调整的装配形式有两种：刚性隔套和弹性隔套。刚性隔套工作区域为其弹性段，而弹性隔套工作区域为其塑性段。因工作原理的不同，弹性隔套与刚性隔套的设计也不同，即设计时应考虑弹性隔套的载荷，弹性隔套的回弹量，弹性隔套对轴承的支撑刚度。这些因素与主减寿命及噪声密切相关。

在弹性隔套的设计研究中，有研究者已从力学原理上对主齿轴承的预紧力进行了详细的分析和计算，为弹性隔套设计提供了理论依据。也有研究者利用有限元分析，完成了单个弹性隔套的有限元模型，及弹塑性仿真。上述作者只对单个隔套进行设计，未研究弹性隔套与主减速总成的匹配。

本文以某MPV后驱车型弹性隔套主减为例，利用弹性隔套主减总成有限元模型及有限元分析，设计弹性隔套的载荷、弹性隔套的回弹量，并评估弹性隔套的支撑刚度。

2 弹性隔套设计的理论分析

弹性隔套装配完成后，主减总成各部件受力如图2，首先锁紧螺母将在连接法兰上产生轴向压力，并作用于外轴承内圈，此时轴向力分两个方向传递：一个是通过圆锥滚子传递给外轴承外圈，外轴承外圈轴向力通过减速器壳轴承座传递给内轴承外圈，再通过圆锥滚子传递给内轴承内圈；一个是通过弹性隔套，进而作用于内轴承内圈，这两个方向作用力在内轴承内圈进行汇合，并作用于主齿轴。两个方向的作用力合力作用于主齿轴并与锁紧螺母拧紧产生的轴向力平衡，形成主齿总成装配的封闭力学模型。

图1 主齿总成结构图

3 弹性隔套性能参数

弹性隔套厚2.5mm，长39.3mm，中间凸起直径42.5mm。

弹性隔套的材料为20#钢，20#钢弹性模量为211000Mpa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m3。

图2 主齿总成力封闭模型

图3 弹性隔套应力云图

弹性隔套载荷为6 3 k N，回弹量为0.2mm，性能参数见图3。

4 弹性隔套主减总成有限元分析

4.1 主减总成有限元模型

对减壳、法兰、主齿轴采用六面体网格划分，在ABAQUS软件中进行弹塑性非线性分析。

减壳螺栓孔固定约束，约束法兰轴向转动自由度，法兰与主齿花键建立移动副translator连接关系。

主齿大小轴承内外圈用bushing定义轴承刚度，轴承外圈与减壳建立接触约束关系。

导入2.3 弹性隔套性能仿真 的弹性隔套模型。法兰、轴承内圈、弹性隔套、主齿间相互建立接触约束关系。主减总成分析模型见图4。

图4 主减总成分析模型

4.2 主减总成加载

4.2.1 主减预紧状态加载

主减预紧状态是指主减锁紧螺母锁紧状态。加载240N.m拧紧拧紧时产生的轴向力：锁紧螺母与法兰接触面加载70000N压力，锁紧螺母与主齿啮合处施加拉力70000N。

拧紧锁紧螺母产生的轴向力按下式计算：T=kFd

式中，T—拧紧扭力；k—扭矩系数；F—轴向力；d—螺栓公称直径

4.2.2 主减工作状态加载

主减工作状态是指主减在锁紧螺母锁紧后，通过主被齿啮合传递扭矩。扭矩在主被齿啮合点可分解成主齿的轴向力、径向力和圆周力，见表1。在齿轮啮合点加载三个方向的力值。

4.3 弹性隔套载荷设计

按3.2.1 主减预紧状态加载，在有限元模型中对主减各部件进行力学计算，提取各接触面的力值，见表2。

计算轴承轴向预紧力：

小轴承轴向预紧力：F小轴承=F1-F3-f2=4607.551N；

表1 齿轮加载力

大轴承轴向预紧力：F大轴承=F 7-F5+f3=4790.072N。

弹性隔套载荷为63KN提供轴承的预紧力在轴承最佳轴向预紧力4000～6000N范围内。

4.4 弹性隔套回弹量设计

按3.2.1 主减工作状态加载。在齿轮啮合点加载啮合力，并提取弹性隔套长度值，见表3。

以锁紧螺母锁紧时弹性隔套长度为0点，加载最大前进扭矩时，弹性隔套被压缩0.0417mm，加载最大后退扭矩时，弹性隔套回弹0.0504mm。从最大前进扭矩到最大后退扭矩，弹性隔套极限长度变化量△=0.0921mm。

弹性隔套回弹量为0.2mm，大于极限变化量2倍。

4.5 弹性隔套的支撑刚度评估

按3.2.1 主减工作状态加载。计算5档前进及倒档齿轮啮合点变形量，5档前进见表4，倒档见表5。

弹性隔套主减齿轮啮合点变形量与量产主减齿轮啮合点变形量相当。

表2 主减零件力学仿真

表3 弹性隔套变形仿真

表4 前进档齿轮啮合点变形量

表5 倒档齿轮啮合点变形量

图5 5th全油门加速/滑行

5 试验验证

5.1 台架耐久测试

弹性隔套主减样件进行齿轮疲劳台架试验，按QC/T 534-1999《汽车驱动桥台架试验评价指标》，试验次数达500000次。

5.2 整车NVH测试

在同一台车装配弹性隔套主减和量产主减进行NVH测试，并对比两种主减的NVH表现。

整车NVH测试结果见图5，图中红色为整车声压，绿色为目标线，蓝色为主减阶次噪声，实线为弹性隔套主减，虚线为量产主减。

弹性隔套和量产主减阶次噪声大小相近，趋势相近。

6 结语

通过UG软件建立主减速器总成的三维模型，使用ABAQUS有限元仿真计算：弹性隔套的载荷、弹性隔套的回弹量及齿轮啮合点的变形量。此有限元分析方法对弹性隔套主减设计具有重要的意义。经过设计的弹性隔套主减通过台架耐久验证及实车NVH考核。