前驱动桥主减速壳盖有限元分析

饶剑文

江西江铃底盘股份有限公司 江西抚州 344000

前驱动桥用在越野汽车和一些轿车的上，既是转向桥又是驱动桥。其主减速器的壳体与壳盖结合面的设计，要满足一定的强度和密封性要求，密封性不好严重影响减速器轴承的润滑和齿轮疲劳寿命。为了实现汽车零部件轻量化要求，主减速壳采用了高压铸造铝合金材料。为了验证铝合金材料及设计结构的可行性，本文通过有限元分析法，对主减速壳盖进行了强度和密封性的分析校核。

设计要求

主减速器壳体采用了高压铸造铝合金材料，代号为YL113。对比普通铸铁材料，高压铝合金铸件的优势表现在尺寸精度高、表面质量好，可以生产出各种形状复杂、难度较大的产品并具有良好的冲击韧性，结构组织致密，强度、硬度及耐磨性较高。高压铸造铝合金材料广泛用于结构件，如壳体、缸体、箱体以及框架等。主减速器壳由壳体和壳盖组成，在结合面涂覆平面密封胶，通过螺栓联接，以保证整个主减速器壳体和壳盖的密封性。壳盖材料属性见表1。

表1 壳盖材料属性

结构强度指标要求，加载后其塑性应变应小于0.75%；密封性设计指标要求，加载后密封面的间隙应小于0.05mm；允许密封面的局部区域间隙大于0.05mm，但不能贯穿壳盖径向宽度。

有限元模型及约束

发动机一挡最大输出扭矩为1010Ng m，汽车安全系数为1.8，按输入扭矩1818Ng m（1010×1.8）为设计载荷进行评估。壳体与壳盖之间设置有预紧力载荷的螺栓连接，扭矩系数为0.2。用UGNX建立产品三维数模，通过前处理ANSA软件进行网格划分。在齿轮传动系统软件MASTA中建立前驱动桥模型，计算并输出在设计载荷作用下，内部各轴承连接点的内力，以作为前桥结构CAE分析的载荷输入。约束方式的固定点及数模如图1所示，为前桥悬置连接点固定约束。

图1 前桥悬置连接点固定约束

ABAQUS有限元分析

ABAQUS是功能强大的有限元软件，可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，模拟非常庞大复杂的模型，处理高度非线性问题。

（1）前处理 是定义物理问题的模型，并生成一个ABAQUS输入文件。分析计算使用ABAQUS/Standard求解输入文件中所定义的数值模型，结果保存载二进制文件中以便后处理。

（2）后处理 用各种方法显示分析结果，包括彩色云纹图、动画、变形图以及X-Y曲线图等，本文采用彩色云纹图。

1.强度分析一

在设计载荷作用下，壳盖的强度应力云图，如图2所示，由计算结果可以看出壳盖最大应力161.3MPa，位于螺栓孔处。

图2 壳盖的强度应力云图

其中，S代表应力，Mises位等效应力。"Von Mises Stress"被习惯性称为“Mises等效应力”，它遵循材料力学第四强度理论（形状改变比能理论）。Avg，表示平均值。

2.强度分析二

在设计载荷作用下，壳盖的塑性应变云图，如图3所示，其中，PEEQ表示“等效塑性应变”。由计算结果可以看出壳盖最大塑性应变0.10%，位于螺栓安装面凸出边缘。

图3 壳盖的塑性应变云图

3.结合面密封性分析

在设计载荷作用下，壳盖的密封性云图，如图4所示，其中，COPEN表示“接触间距”，正值为“间距值”，负值为“穿透值”。由计算结果可以看出壳盖最大密封面间隙0.039mm，位于壳盖上部的螺栓安装面内侧边缘。

图4 壳盖的密封性云图

4.综合分析

分析结果汇总，见表2。

表2 分析结果汇总

台架验证

汽车各零部件产品台架试验是产品研制阶段的重要环节。它不仅用于测试整个开发产品及相关部件的可靠性，还用于验证产品的性能是否达到原设计指标。因此，产品在成功量产前，大量的台架试验是必不可少的。产品样件试制完后，按新产品开发的设计验证计划（DVP计划指Design Verification Plan），试验按设计输入扭矩1818Ng m，同有限元分析加载，进行了总成疲劳和总成静扭台架试验，试验结果也满足设计要求，总成疲劳台架试验如图5所示，总成静扭台架试验如图6所示。

图5 总成疲劳台架试验

图6 总成静扭台架试验

结语

本文通过ABAQUS软件建立结构有限元模型，对减速器壳盖铝合金的材料进行强度和密封性分析，与台架试验结果数据进行对比，证明了该产品结构设计和选择材料的可行性，为后续产品开发及优化提供了可信的仿真技术支持。也有效地节约了产品性能测试的试验费用，从而减少开发成本，缩短开发周期，避免量产后出现质量问题，提高产品市场竞争力。同时也说明选用该铝合金材料，可实现零部件的结构轻量化。