CN109670226A - 一种四驱变速器差速器的有限元建模分析方法 - Google Patents

Abstract

一种四驱变速器差速器的有限元建模分析方法，涉及汽车技术领域。其步骤包括：步骤S1，建立差速器总成的几何装配模型；步骤S2，对差速器总成的各部分结构划分网格，设置材料属性及单元属性；步骤S3，建立差速器总成的各部分间的接触关系；步骤S4，根据四驱变速器和差速器总成的工作原理处理载荷分配关系；步骤S5，设置分析几何装配模型的边界条件和施加载荷；步骤S6，对差速器总成的有限元模型进行迭代计算，处理计算结果。通过合理的简化几何模型，符合实际的边界设置和载荷分配设置，不仅能够正确表现四驱变速器差速器工作时各部件之间的相互关系，还能够真实的模拟四驱变速器差速器的受力情况，提高了四驱变速器差速器有限元强度分析的准确性。

Description

一种四驱变速器差速器的有限元建模分析方法

技术领域

本发明涉及一种汽车技术领域，且特别涉及一种四驱变速器差速器的有限元建模分析方法。

背景技术

汽车差速器是使驱动轮实现以不同转速转动的机构，是汽车的关键部件之一。差速器工作时受交变冲击载荷,要求其具有良好的综合力学性能。

四驱变速器差速器工作状况及受力方式比两驱变速器差速器更加复杂，设计要求也更高。目前，针对四驱变速器差速器的强度计算方法还未见相关公开发表的技术文献。

发明内容

本发明的目的在于提供一种四驱变速器差速器的有限元建模分析方法，解决了现有技术中存在针对四驱变速器差速器的强度计算方法不准确的问题。

本发明是采用以下技术方案来实现的：

一种四驱变速器差速器的有限元建模分析方法，包括四驱变速器和差速器总成，所述有限元建模分析方法包括以下步骤：

步骤S1：建立所述差速器总成的几何装配模型；

步骤S2：对所述差速器总成的各部分结构划分网格，设置材料属性及单元属性；

步骤S3：建立所述差速器总成的各部分间的接触关系；

步骤S4：根据所述四驱变速器和所述差速器总成的工作原理处理载荷分配关系；

步骤S5：设置分析所述几何装配模型的边界条件和施加载荷；

步骤S6：对所述差速器总成的有限元模型进行迭代计算，处理计算结果。

进一步地，在本发明的优选技术方案中，在所述步骤S1中，根据所述四驱变速器和所述差速器总成的结构，分别建立主减速齿轮、差速器壳体、半轴齿轮、行星齿轮、行星齿轮轴、垫片、锥轴承以及螺栓的准确三维几何模型。

进一步地，在本发明的优选技术方案中，在所述步骤S2中，采用10节点四面体二次实体单元对所述主减速齿轮和所述差速器壳体划分网格，采用8节点六面体非协调实体单元对所述半轴齿轮、所述行星齿轮、所述行星齿轮轴、所述垫片、所述锥轴承以及所述螺栓进行网格划分。

进一步地，在本发明的优选技术方案中，在所述步骤S3中，对所述锥轴承的内圈和外圈之间设置无摩擦接触，对所述锥轴承的内圈和所述差速器壳体的轴肩之间设置为摩擦接触，并且需要对所述锥轴承的内圈和所述差速器壳体轴肩之间设置图纸上规定的过盈量。

进一步地，在本发明的优选技术方案中，在所述步骤S3中，所述主减速齿轮与所述差速器壳体之间、所述半轴齿轮与所述垫片之间、所述行星齿轮与所述行星齿轮轴之间、所述行星齿轮轴与所述垫片之间、所述行星齿轮轴与所述差速器壳体轴孔之间、所述螺栓头与所述差速器壳体之间分别设置为摩擦接触；所述垫片与所述差速器壳体之间、所述螺栓的螺柱部分与所述差速器壳体螺纹孔之间分别设置为绑定接触。

进一步地，在本发明的优选技术方案中，在所述步骤S4中，根据所述四驱变速器和所述差速器总成的工作原理及整车动力总成载荷谱，将所述主减速齿轮的扭矩分配给前轮工况和后轮工况；根据分配好的扭矩，对所述前轮工况和所述后轮工况分别选取一个基准扭矩作为计算时加载的载荷，将所述前轮工况和所述后轮工况其余的扭矩载荷分别除以各自的基准扭矩得到各自的应力缩放系数。

进一步地，在本发明的优选技术方案中，在所述步骤S5中，根据所述四驱变速器和所述差速器的实际工作特点，分析包括前轮工况；对所述前轮工况，第一步为预紧步，设置的边界为：约束所述锥轴承的外圈三个平动自由度和绕轴向转动方向自由度，约束所述行星齿轮的三个平动自由度，约束所述行星齿轮轴的三个平动自由度，约束所述半轴齿轮的六个自由度，对所述螺栓施加螺栓预紧力；第二步为加载步，设置的边界为：需要将第一步设置的边界重新定义，约束所述锥轴承的外圈三个平动自由度和绕轴向转动方向自由度，约束所述半轴齿轮绕轴向转动方向自由度，锁住所述螺栓预紧力，在所述主减速齿轮上施加前轮基准扭矩载荷，在所述半轴齿轮和所述行星齿轮啮合处施加相互作用的啮合力。

进一步地，在本发明的优选技术方案中，在所述步骤S5中，根据所述四驱变速器和所述差速器的实际工作特点，分析包括后轮工况；对所述后轮工况，第一步为预紧步，设置的边界为：约束所述锥轴承的外圈三个平动自由度和绕轴向转动方向自由度，约束所述行星齿轮、所述行星齿轮轴及所述半轴齿轮的六个方向自由度，对所述螺栓施加螺栓预紧力；第二步为加载步，设置的边界为：需要将第一步设置的边界进行重新定义，约束所述锥轴承的外圈三个平动自由度和绕轴向转动方向自由度，释放所述垫片与所述差速器壳体、所述行星齿轮轴与所述差速器壳体之间的接触关系，约束所述行星齿轮、所述行星齿轮轴及所述半轴齿轮的六个方向自由度，约束所述差速器壳体花键链接处绕轴向转动方向的自由度，锁住所述螺栓预紧力，在所述主减速齿轮上施加后轮基准扭矩载荷。

进一步地，在本发明的优选技术方案中，在所述步骤S5中，对建立好的所述四驱变速器和所述差速器总成的有限元模型进行迭代计算，分别得到所述前轮工况和所述后轮工况下的应力分布结果。

进一步地，在本发明的优选技术方案中，在所述步骤S5中，对于其它扭矩的应力结果，通过以下方法实现：用所述前轮工况基准扭矩第二步计算结果减去预紧步计算结果，其差值乘以前轮工况应力缩放系数得到所述前轮工况相应扭矩下的应力分布，用所述后轮工况基准扭矩第二步计算结果减去预紧步计算结果，其差值乘以后轮工况应力缩放系数得到所述后轮工况相应扭矩下的应力分布，将所述前轮工况应力结果、所述后轮工况应力结果以及预紧步的应力结果相加，就可以实现计算结果的线性缩放，得到所述四驱变速器和所述差速器在整车动力总成载荷谱各扭矩水平下的应力分析结果。

本发明的有益效果是：

本发明实施例提供了一种四驱变速器差速器的有限元建模分析方法，通过合理的简化几何模型，符合实际的边界设置和载荷分配设置，不仅能够正确表现四驱变速器差速器工作时各部件之间的相互关系，而且能够真实和快速的模拟四驱变速器差速器的受力情况，提高了四驱变速器差速器有限元强度分析的准确性和快速性，该计算方法的公开，对四驱变速器差速器技术水平的提高有积极意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例中提供的一种四驱变速器差速器的有限元建模分析方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中提供的一种差速器总成的几何模型图；

图3是本发明实施例中提供的一种四驱变速器和差速器总成的载荷分配关系；

图4是本发明实施例中提供的一种差速器总成的边界设置示意图。

图标：1-主减速齿轮；2-差速器壳体；3-第一半轴齿轮；4-第一行星齿轮；5-行星齿轮轴；6-垫片；7-锥轴承；8-螺栓；9-第一轴承外圈；10-第二轴承外圈；11-第二行星齿轮；12-第二半轴齿轮；13-第一连接部；14-第二连接部；15-第三连接部；16-第四连接部。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例：

本发明实施例提供了一种四驱变速器差速器的有限元建模分析方法，其具体步骤如下文所阐述。

请参考图1，该四驱变速器差速器的有限元建模分析方法的具体步骤为：步骤S1，建立差速器总成的几何装配模型；步骤S2，对差速器总成的各部分结构划分网格，设置材料属性及单元属性；步骤S3，建立差速器总成的各部分间的接触关系；步骤S4，根据四驱变速器和差速器总成的工作原理处理载荷分配关系；步骤S5，设置分析几何装配模型的边界条件和施加载荷；步骤S6，对差速器总成的有限元模型进行迭代计算，处理计算结果。

请参考图2，根据四驱变速器和差速器总成的结构，首先，分别建立主减速齿轮1、差速器壳体2、半轴齿轮、行星齿轮、行星齿轮轴5、垫片6、锥轴承7以及螺栓8的准确三维几何模型。然后根据分析的需求，进行相应的几何简化，包括锥轴承7忽略滚珠，将其简化成只有内圈和外圈的简化结构，半轴齿轮和行星齿轮去掉齿形，简化为相切的锥台。最后，根据各零件之间的约束关系将各其装配成差速器总成模型。

采用10节点四面体二次实体单元对主减速齿轮1和差速器壳体2划分网格，单元尺寸控制在平均3mm，圆角部分需要布置至少2层网格。半轴齿轮、行星齿轮、行星齿轮轴5、垫片6、锥轴承7及螺栓8均采用节点六面体非协调实体单元进行网格划分。其中，锥轴承7内圈和外圈之间、行星齿轮轴5和差速器壳体2的轴孔之间，其相互接触的位置需做网格节点一一对应的映射处理。

在各零部件之间设置接触关系以传递载荷。对锥轴承7内圈和外圈之间设置无摩擦接触；锥轴承7内圈和差速器壳体2轴肩之间设置为摩擦接触，并且需要对锥轴承7内圈和差速器壳体2轴肩之间设置图纸上规定的过盈量；主减速齿轮1与差速器壳体2之间、半轴齿轮与垫片6之间、行星齿轮与行星齿轮轴5之间、行星齿轮轴5与垫片6之间、行星齿轮轴5与差速器壳体2轴孔之间、螺栓8头与差速器壳体2之间分别设置为摩擦接触；垫片6与差速器壳体2之间、螺栓8的螺柱部分与差速器壳体2螺纹孔之间分别设置为绑定接触。

如图3所示，根据四驱变速器差速器工作原理及整车动力总成载荷谱，对主减速齿轮1的扭矩进行分配。如果主减速齿轮1扭矩T大于5000，前轮工况分配的扭矩，后轮工况分配2500的扭矩；如果主减速齿轮1扭矩T小于5000，则前轮工况和后轮工况各分配二分之一的主减速齿轮1扭矩。根据分配好的扭矩，对前轮工况和后轮工况分别选取一个基准扭矩作为计算时加载的载荷，将前轮工况和后轮工况其余扭矩分别除以各自的基准扭矩得到应力缩放系数λ1和λ2。

根据四轮驱动变速器差速器的实际工作特点，计算分为前轮工况和后轮工况，边界设置如图4所示。对前轮工况，第一步为预紧步，设置的边界为：约束第一轴承外圈9和第二轴承外圈10处的三个平动自由度和绕轴向转动方向自由度，约束第一行星齿轮4和第二行星齿轮11处的三个平动自由度，约束行星齿轮轴5处的三个平动自由度，约束第一半轴齿轮3和第二半轴齿轮12处的六个自由度，对螺栓8处施加螺栓8预紧力；第二步为加载步，设置的边界为：需要将第一步设置的边界重新定义，约束第一轴承外圈9和第一轴承外圈9处三个平动自由度和绕轴向转动方向自由度，约束第一半轴齿轮3和第二半轴齿轮12处绕轴向转动方向自由度，锁住螺栓8处的预紧力，在主减速齿轮1处上施加前轮基准扭矩载荷，在半轴齿轮和行星齿轮啮合位置的第一连接部13、第二连接部14、第三连接部15以及第四连接部16处施加相互作用的啮合力。对后轮工况，第一步为预紧步，设置的边界为：约束第一轴承外圈9和第二轴承外圈10处三个平动自由度和绕轴向转动方向自由度，约束第一行星齿轮4和第二行星齿轮11处、行星齿轮轴5处、第一半轴齿轮3以及第二半轴齿轮12处的六个方向自由度，对螺栓8处施加螺栓8预紧力；第二步为加载步，设置的边界为：需要将第一步设置的边界进行重新定义，约束第一轴承外圈9和第二轴承外圈10处三个平动自由度和绕轴向转动方向自由度，释放垫片6与差速器壳体2，行星齿轮轴5与差速器壳体2之间的接触关系，约束第一行星齿轮4和第二行星齿轮11处、行星齿轮轴5处、第一半轴齿轮3以及第二半轴齿轮12处的六个方向自由度，约束差速器壳体2花键链接处绕轴向转动方向的自由度，锁住螺栓8处的预紧力，在主减速齿轮1处上施加后轮基准扭矩载荷。

对建好的四驱变速器差速器有限元模型进行迭代计算，分别得到前轮工况和后轮工况下的应力分布结果。对于其它扭矩的应力结果，可以通过以下公式实现：

用前轮工况基准扭矩第二步应力计算结果减去预紧步应力计算结果，其差值乘以前轮工况应力缩放系数λ1得到前轮工况相应扭矩下的应力分布，用后轮工况基准扭矩第二步应力计算结果减去预紧步应力计算结果，其差值乘以后轮工况应力缩放系数λ2得到后轮工况相应扭矩下的应力分布，将前轮工况应力结果、后轮工况应力结果以及预紧步的应力结果相加，就可以得到其它相应扭矩的应力结果S，从而实现应力计算结果的线性缩放，得到整车动力总成载荷谱各扭矩水平下的四驱变速器差速器应力分析结果。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种四驱变速器差速器的有限元建模分析方法，其特征在于，包括四驱变速器和差速器总成，所述有限元建模分析方法包括以下步骤：

步骤S1：建立所述差速器总成的几何装配模型；

步骤S2：对所述差速器总成的各部分结构划分网格，设置材料属性及单元属性；

步骤S3：建立所述差速器总成的各部分间的接触关系；

步骤S4：根据所述四驱变速器和所述差速器总成的工作原理处理载荷分配关系；

步骤S5：设置分析所述几何装配模型的边界条件和施加载荷；

步骤S6：对所述差速器总成的有限元模型进行迭代计算，处理计算结果。

2.根据权利要求1所述的四驱变速器差速器的有限元建模分析方法，其特征在于，在所述步骤S1中，根据所述四驱变速器和所述差速器总成的结构，分别建立主减速齿轮、差速器壳体、半轴齿轮、行星齿轮、行星齿轮轴、垫片、锥轴承以及螺栓的准确三维几何模型。

3.根据权利要求2所述的四驱变速器差速器的有限元建模分析方法，其特征在于，在所述步骤S2中，采用10节点四面体二次实体单元对所述主减速齿轮和所述差速器壳体划分网格，采用8节点六面体非协调实体单元对所述半轴齿轮、所述行星齿轮、所述行星齿轮轴、所述垫片、所述锥轴承以及所述螺栓进行网格划分。

4.根据权利要求2所述的四驱变速器差速器的有限元建模分析方法，其特征在于，在所述步骤S3中，对所述锥轴承的内圈和外圈之间设置无摩擦接触，对所述锥轴承的内圈和所述差速器壳体的轴肩之间设置为摩擦接触，并且需要对所述锥轴承的内圈和所述差速器壳体轴肩之间设置图纸上规定的过盈量。

5.根据权利要求4所述的四驱变速器差速器的有限元建模分析方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述主减速齿轮与所述差速器壳体之间、所述半轴齿轮与所述垫片之间、所述行星齿轮与所述行星齿轮轴之间、所述行星齿轮轴与所述垫片之间、所述行星齿轮轴与所述差速器壳体轴孔之间、所述螺栓与所述差速器壳体之间分别设置为摩擦接触；所述垫片与所述差速器壳体之间、所述螺栓的螺柱部分与所述差速器壳体螺纹孔之间分别设置为绑定接触。

6.根据权利要求2所述的四驱变速器差速器的有限元建模分析方法，其特征在于，在所述步骤S4中，根据所述四驱变速器和所述差速器总成的工作原理及整车动力总成载荷谱，将所述主减速齿轮的扭矩分配给前轮工况和后轮工况；根据分配好的扭矩，对所述前轮工况和所述后轮工况分别选取一个基准扭矩作为计算时加载的载荷，将所述前轮工况和所述后轮工况其余的扭矩载荷分别除以各自的基准扭矩得到各自的应力缩放系数。

7.根据权利要求2所述的四驱变速器差速器的有限元建模分析方法，其特征在于，在所述步骤S5中，根据所述四驱变速器和所述差速器的实际工作特点，分析包括前轮工况；对所述前轮工况，第一步为预紧步，设置的边界为：约束所述锥轴承的外圈三个平动自由度和绕轴向转动方向自由度，约束所述行星齿轮的三个平动自由度，约束所述行星齿轮轴的三个平动自由度，约束所述半轴齿轮的六个自由度，对所述螺栓施加螺栓预紧力；第二步为加载步，设置的边界为：需要将第一步设置的边界重新定义，约束所述锥轴承的外圈三个平动自由度和绕轴向转动方向自由度，约束所述半轴齿轮绕轴向转动方向自由度，锁住所述螺栓预紧力，在所述主减速齿轮上施加前轮基准扭矩载荷，在所述半轴齿轮和所述行星齿轮啮合处施加相互作用的啮合力。

8.根据权利要求7所述的四驱变速器差速器的有限元建模分析方法，其特征在于，在所述步骤S5中，根据所述四驱变速器和所述差速器的实际工作特点，分析包括后轮工况；对所述后轮工况，第一步为预紧步，设置的边界为：约束所述锥轴承的外圈三个平动自由度和绕轴向转动方向自由度，约束所述行星齿轮、所述行星齿轮轴及所述半轴齿轮的六个方向自由度，对所述螺栓施加螺栓预紧力；第二步为加载步，设置的边界为：需要将第一步设置的边界进行重新定义，约束所述锥轴承的外圈三个平动自由度和绕轴向转动方向自由度，释放所述垫片与所述差速器壳体、所述行星齿轮轴与所述差速器壳体之间的接触关系，约束所述行星齿轮、所述行星齿轮轴及所述半轴齿轮的六个方向自由度，约束所述差速器壳体花键链接处绕轴向转动方向的自由度，锁住所述螺栓预紧力，在所述主减速齿轮上施加后轮基准扭矩载荷。

9.根据权利要求8所述的四驱变速器差速器的有限元建模分析方法，其特征在于，在所述步骤S5中，对建立好的所述四驱变速器和所述差速器总成的有限元模型进行迭代计算，分别得到所述前轮工况和所述后轮工况下的应力分布结果。

10.根据权利要求9所述的四驱变速器差速器的有限元建模分析方法，其特征在于，在所述步骤S5中，对于其它扭矩的应力结果，通过以下方法实现：用所述前轮工况基准扭矩第二步计算结果减去预紧步计算结果，其差值乘以前轮工况应力缩放系数得到所述前轮工况相应扭矩下的应力分布，用所述后轮工况基准扭矩第二步计算结果减去预紧步计算结果，其差值乘以后轮工况应力缩放系数得到所述后轮工况相应扭矩下的应力分布，将所述前轮工况应力结果、所述后轮工况应力结果以及预紧步的应力结果相加，就可以实现计算结果的线性缩放，得到所述四驱变速器和所述差速器在整车动力总成载荷谱各扭矩水平下的应力分析结果。