中桥主减速器支撑壳体优化改进

隋景玉，张凯，王海龙，王国元，林方军

山东蓬翔汽车有限公司 山东烟台 265607

作为驱动桥上承担着传递转矩、减速等核心功能的主减速器[1]，其中一个重要指标就是强度满足性要求，即从内部轴承、齿轮等核心部件到外部支撑壳体都要满足强度及可靠性要求。此外，在强度和可靠性满足的前提下，还要将支撑壳体的外形结构设计得布局合理，不得存在有的位置强度过剩而有的位置强度不足这种分配不均、强弱共存的问题，另外还要尽可能地做到轻量化，降低产品成本。

本文以某商用车中桥主减速器外部支撑壳体为研究对象，通过建立三维模型，基于Romax软件导入载荷谱参数和模型数据，对改进前的壳体进行CAE有限元分析，找出薄弱点，随后针对薄弱点进行优化改进，最终使改进后的壳体满足使用要求。

建立主减速器仿真模型

图1所示为中桥主减速器通过Romax软件建立的数字化参数模型[2]。其中包含了输入轴、输入轴轴承、轴间差速器、主从动圆柱齿轮、主从动锥齿轮、主动锥齿轮轴承和差速器轴承等内部传动系统全部核心部件，各部件主要参数见表1。

表1 主要参数表

图1 中桥主减速器Romax模型

壳体模型建立和导入

根据该中桥主减速器方案布置尺寸，结合以往壳体件设计经验，首先选择该总成的主要外部支撑壳体，即主减速器外壳和圆柱齿轮外壳的壳体壁厚为14mm，利用creo三维建模软件设计得到壳体外形图，如图2所示。

图2 减速器外壳和圆柱齿轮外壳三维模型

将以上壳体数据通过HyperMesh软件划分网格并编辑材料、约束等分析数据，导入之前的Romax模型，即得到了带有FE壳体刚度的数字化模型，如图3所示。

图3 带有FE壳体的数字化模型

运行分析与问题查找

对Romax模型的运行分析，首先要确定该传动系统准确的载荷谱参数。根据QC/T 533-2020，驱动桥的最大输入转矩Min可以依据下式确定，即

式中 Min——驱动桥最大输入转矩（N·m）

m——汽车最大总质量，kg；

g——重力加速度（m/s2）；

rk——轮胎滚动半径（m）；

i0——驱动桥减速比；

n——车辆所装驱动桥数量；

K——强化系数。

经计算得到该中桥主减速器的载荷谱参数（见图4）：输入功率677kW，输入转矩4310N·m，输入转速150r/min，中后桥功率等分，左右轮功率等分。

图4 载荷谱参数

图5所示为运行分析得到的结果。从计算结果可以清晰地看到壳体外形设计中存在的薄弱点，最大应力在300MPa以上，超出材料QT450-10本身屈服强度，且壳体总成位移530μm，偏大。另外，还可以看出壳体设计中存在强度不均的问题。因此，如果对以上薄弱点进行加强，则壳体壁厚还存在降低的空间。

图5 改进前分析结果

壳体优化改进和模型前处理

根据以上Romax数据模型分析结果，对原有壳体件进行优化改进。将主减速器外壳和圆柱齿轮外壳的壁厚由14mm降低为11mm，对刚度薄弱处增加外廓尺寸，对分析结果对应薄弱点设计布置加强筋，并在满足装配要求的基础上尽可能加大薄弱处圆角半径，以将原设计中应力集中的影响降为最低[3]，优化后的壳体模型如图6所示。

图6 优化后壳体三维

同样，在将优化后的壳体模型导入Romax前，要将此模型导入HyperMesh进行划分网格[4]，具体步骤如下。

1）对主减速器外壳、圆柱齿轮外壳、主动锥齿轮轴承座和左右差速器轴承盖等5个壳体依次划分网格（见图7）。

图7 壳体划分网格

2）对各壳体件导入材料属性，材料均为QT450-10。

3）各壳体间连接面依次对应选中，建立绑定连接——“TIE”（见图8）。

图8 绑定连接面选取

4）整个壳体总成添加约束限位。根据实际工作工况，减速器外壳安装面添加固定约束，即自由度为0，差速器轴承盖安装止口的限位为仅在Z轴方向拥有位移和旋转自由度，其余自由度均为0（见图9）。至此，完成了壳体总成在导入Romax前的全部前处理工作。

图9 壳体总成约束限位

改进后壳体再分析

对改进后模型再次进行分析，计算结果如图10所示。壳体总成最大应力降低至220MPa以下，满足材料使用性要求，最大位移大幅降低至337μm，并且壳体中原有应力集中的薄弱节点全部清除，强度、刚度符合性得到明显提升。

图10 改进后分析结果

改进前后壳体质量分别为241.3kg和206.3kg，通过优化壳体壁厚，实现降重合计35kg，不仅提升了使用可靠性，还降低了材料成本。

传动系统满足性确认

经过以上分析，仅确认了主减速器总成外部支撑壳体的可靠性情况，对内部传动系各核心部件的承载满足性也需要进行确认。

首先，对各轴承的承载情况进行分析，由图11可以得到各轴承的受力方向，以及每一个轴承使用寿命分析情况。表2列出了全部轴承的使用寿命计算结果。从表2可看出，各轴承的ISO损伤均小于100%，寿命满足使用要求[5]。

图11 轴承承载和使用寿命分析

表2 轴承使用寿命分析结果

其次，对圆柱齿轮的承载情况进行校核分析，如图12所示。图12中，红色为主动齿面，粉色为从动齿面，圆柱齿轮的承载分析结果见表3，接触安全系数和弯曲安全系数均＞1，满足设计要求[6]。

图12 圆柱齿轮承载分析

表3 圆柱齿轮啮合运行结果

最后，对主动锥齿轮、从动锥齿轮和差速器半轴、行星轮的承载情况进行校核分析。图13所示为运行分析得到的最差工况下，最大接触应力和最大弯曲应力计算结果，根据齿轮材料本身承载能力，计算得到以上齿轮的最小接触和弯曲疲劳安全系数分别为0.83和1.32，均大于行业内对应的最小许用安全系数0.75和1，满足设计要求。

图13 台架试验

至此，对于该中桥主减速器总成，从外部支撑壳体到内部核心部件，均已完成全面校核确认，最终完成的方案布置如图14所示。

图14 最终方案

结语

本文首先对中桥主减速器建立Romax仿真模型，导入首轮方案的壳体模型数据，通过输入载荷谱参数进行分析计算，找出壳体本身存在的承载薄弱点，随后针对薄弱点优化改进三维模型，并穿插着对三维模型导入Romax前使用HyperMesh的前处理步骤进行列述。在对优化后的壳体承载满足性进行校核后，还对主减速器总成传动系各核心承载件进行可靠性确认，最终得出了该中桥主减速器的方案设计满足性结论，并完成了准确而完整的方案图绘制。