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差速器殼體有限元分析及結構設計

發布于:2023-07-19 19:19
有限元分析

      車輛打滑一直是車輛行駛過程中需要克服的問題,要解決車輛打滑,必須要解決車輪之間的差速及鎖死問題。汽車通常采用在前橋或后橋上加裝差速器的方式進行傳動,在泥濘的道路很容易打滑而無法正常行駛。多橋驅動汽車也只能解決兩輪驅動打滑問題,不能解決驅動輪在附著條件不滿足時車輪打滑問題,如在出現前、后各有一邊或是對角輪附著不夠滑轉時,汽車無法行駛。為克服車輪打滑,人們設計了多種差速器,但都存在一個共同問題:若鎖死差速器,可以發揮應有的牽引力,但該車就不能導向轉彎;若能導向轉彎,就不能在惡劣泥濘道路上發揮應有的牽引力,無法行駛。
      自適應牽引力控制(Adaptive Traction Control Technology)差速器通過動力分配分別單獨驅動每個車輪,根據地面附著變化解決車輛前、后橋車輪的扭矩不等分配問題并能自動調整,能實現前、后橋間差速,輪間差速,對角輪差速和前、后橋間防滑,對角輪之間防滑,輪間防滑。ATC差速器能適應多種復雜地形,如高速公路及冰、雪、泥水地面,直線或轉彎行走都能充分發揮各輪驅動力并轉向自如,適用于各種輪式車輛。
      ATCT差速器能向前、后、左、右4個車輪傳遞動力,同時允許4個車輪以不同轉速旋轉,盡可能以純滾動形式作不等距行駛。該差速器向各個車輪傳遞扭矩,具有復合差速器限制車輪打滑和扭矩合理分配的功能,因而差速器殼體承受彎矩和扭矩的作用,受力狀態復雜。因此在設計過程中對ATCT差速器殼體進行有限元分析,以確定合適材料下殼體的厚度,設計出滿足強度要求的輕量化殼體。
      ATCT差速器殼體由主要由殼體1、殼體2、殼體3、殼體4組成,殼體之間由螺栓聯接,工作動力由齒輪1或齒輪2輸入,通過中間一系列齒輪傳動,由十字軸1和十字軸2輸出。差速器有高速級、低速級2個檔位,齒輪1為高速級齒輪,齒輪2為低速級齒輪,齒輪1、齒輪2為斜齒圓柱齒輪,ATCT差速器殼體結構和受力示意圖如圖1所示。輸入扭矩M為21078N∙m,輸出扭矩M1和M2為10539N∙m。
      在工作中,當變速箱位于1檔、分動器位于低速級時,差速器傳遞扭矩最大,由于齒輪2為斜齒圓柱齒輪,在傳動過程中差速器殼體既受扭又受彎,此時可認為差速器殼體處于最危險載荷工況,分析中按此工況進行分析。
      動力輸入齒輪通過與齒輪1或齒輪2嚙合實現運動傳遞,已知低速級齒輪2分度圓直徑d為412.5mm、壓力角α為20°、螺旋角β為21°,則齒輪2所受的圓周力Ft、徑向力Fr、軸向力Fa。
      差速器殼體初始設計方案δ1、δ2、δ3及δ4厚度均為12mm,利用CAXA實體軟件建立差速器殼體的三維模型。為了便于分析,建立有限元模型前,對原模型進行一些簡化處理,將各零件的銳角倒棱,并將十字軸拆除。為了添加輸入載荷方便,建模中保留了齒輪2,且將齒輪簡化為分度圓柱,通過螺栓與殼體2通過螺栓聯接。簡化后的差速器殼體模型由殼體1、殼體2、殼體3、殼體4、齒輪2組成,將簡化后的差速器殼體模型保存為IGES格式導入Patran中,然后選擇Tet10單元進行網格劃分,設定單元尺寸為10mm。差速器殼體各部分之間用螺栓(螺釘)連接,在每個螺栓孔位置上分別建立多點約束MPC單元,然后再通過剛性單元RBE2模擬螺栓連接。其有限元網格如圖2所示。根據差速器殼體使用工況,在差速器殼體兩端面A、B施加位移約束以及在C、D、E位置施加載荷約束。載荷添加時考慮到減重孔對強度的影響,假定當齒輪旋轉到與減重孔相對位置時,殼體應力最大位置添加載荷。


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