CN116910933A - 一种驱动桥差速器台架试验疲劳寿命仿真分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种驱动桥差速器台架试验疲劳寿命仿真分析方法，根据总成布置图纸建立驱动桥总成模型，采用静力凝聚子结构方法将桥壳总成和半轴等零部件用刚度矩阵代替；输入齿轮参数和扭矩；轴承简化为具有一定刚度的弹簧；对连接在差速器壳上的齿轮仅保留齿根圆内的部分；将差速器壳旋转一周分解为18个啮合状态，将差速器壳受力位置进行耦合，耦合节点作为保留自由度的凝聚节点，即静力子结构交界面节点。考虑差速器壳材料的S‑N曲线；考虑铸造工艺表面粗糙度的影响；存活率为99%；通过定义不同的应力缩放系数来计算载荷谱中其他扭矩下的应力场，并将输入转速与实验时间相乘得到差速器壳目标循环寿命。要求差速器壳疲劳寿命必须大于载荷谱寿命要求。
Description
技术领域
本发明涉及汽车配件检测设备领域，尤其是涉及一种驱动桥差速器台架试验疲劳寿命仿真分析方法。
背景技术
目前，驱动桥差速器内部的行星齿轮、半轴齿轮的疲劳寿命试验还没有行业标准或国家标准。相关企业只能根据市场要求进行各种加强设计。由于没有试验验证，只能依靠市场的使用验证来确认是否可行，目前还没有确切的差速器壳疲劳寿命的分析方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在的缺陷，提供一种驱动桥差速器台架试验疲劳寿命仿真分析方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种驱动桥差速器台架试验疲劳寿命仿真分析方法，包括如下步骤：
S1、根据总成布置图纸建立电驱动桥总成模型，输入齿轮参数和扭矩；
S2、差速器壳子结构模型的创建；
S3、差速器壳疲劳寿命计算。
进一步，所述S1中，根据电驱动桥总成布置图纸和各零件图纸，同时输入齿轮参数和轴承参数，在MASTA软件中搭建电驱动桥总成模型；
其中，轴承简化为弹簧，所述轴承参数为弹簧的刚度参数。
进一步，所述S2中，差速器壳子结构模型的创建步骤包括：
创建差速器壳有限元模型：
将差速器壳的UG模型进行几何清理后，采用C3D10单元划分为有限元模型；对被动齿轮轮辐沿齿根圆进行切割，仅保留齿根圆内的部分；由于被动齿轮仅起到传递齿轮啮合力的作用，故对被动齿轮轮辐采用C3D4单元划分网格；
由于差速器壳不是圆周对称结构，其应力场会随着被动齿轮啮合位置的变化而变化，考虑将差速器壳旋转一周分解为18个啮合状态，故被动齿轮沿齿根圆周向等分为18份，每份区域连接角度为
式中，ε为被动齿轮重合度；z为被动齿轮齿数，被动齿轮凝聚节点轴向位置为齿宽中心，径向位置为节圆半径；
创建差速器壳静力子结构交界面节点：
在差速器壳有限元模型创建后，将差速器壳受力位置，将轴承安装面、行星齿轮轴接触面采用分布耦合方式进行耦合，耦合节点作为保留自由度的凝聚节点，即静力子结构交界面节点。
进一步，将差速器壳静力子结构的凝聚节点编号和坐标、刚度矩阵文件导入电驱动桥总成MASTA模型中替换差速器壳，得到替换后的电驱动桥总成MASTA模型。
进一步，所述S3的步骤包括：根据差速器壳材料的S-N曲线以及铸造工艺表面粗糙度，通过定义不同的应力缩放系数来计算载荷谱中其他扭矩下的应力场，并将输入转速与实验时间相乘得到差速器壳目标循环寿命。
本发明的有益效果为：本发明根据总成布置图纸建立驱动桥总成模型，采用静力凝聚子结构方法将桥壳总成和半轴等零部件用刚度矩阵代替；输入齿轮参数和扭矩；轴承简化为具有一定刚度的弹簧；对连接在差速器壳上的齿轮仅保留齿根圆内的部分；将差速器壳旋转一周分解为18个啮合状态，将差速器壳受力位置进行耦合，耦合节点作为保留自由度的凝聚节点，即静力子结构交界面节点。考虑差速器壳材料的S-N曲线；考虑铸造工艺表面粗糙度的影响；存活率为99％；通过定义不同的应力缩放系数来计算载荷谱中其他扭矩下的应力场，并将输入转速与实验时间相乘得到差速器壳目标循环寿命，操作方便、直观。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为本发明电驱动桥总成2D模型图；
图3为本发明电驱动桥总成3D模型图；
图4为本发明差速器壳有限元模型图；
图5为本发明差速器壳凝聚节点位置示意图；
图6为替换后的电驱动桥总成MASTA模型图；
图7为输入差速器壳材料QT550的材料参数，得到QT550的S-N曲线图；
图8为差速器壳疲劳寿命图。
具体实施方式
如图1所示，一种驱动桥差速器台架试验疲劳寿命仿真分析方法，包括如下步骤：
S1、根据总成布置图纸建立电驱动桥总成模型，输入齿轮参数和扭矩；
S2、差速器壳子结构模型的创建；
S3、差速器壳疲劳寿命计算。
步骤S1中，根据电驱动桥总成布置图纸和各零件图纸，同时输入齿轮参数和轴承参数，在MASTA软件中搭建电驱动桥总成模型，电驱动桥总成2D和3D MASTA模型如图2和3所示。
步骤S2、差速器壳子结构模型的创建，具体包括如下步骤：
创建差速器壳有限元模型：
如图4所示，将差速器壳2的UG模型进行几何清理后，采用C3D10单元划分为有限元模型。对被动齿轮轮辐1沿齿根圆进行切割，仅保留齿根圆内的部分。由于被动齿轮仅起到传递齿轮啮合力的作用，并不是所关心的零件，故对被动齿轮轮辐采用C3D4单元划分网格。
创建差速器壳静力子结构交界面节点：
在差速器壳有限元模型创建后，将差速器壳受力位置，如轴承安装面、行星齿轮轴接触面等采用分布耦合(Distributing Coupling)方式进行耦合，耦合节点作为保留自由度的凝聚节点，即静力子结构交界面节点。
由于差速器壳不是圆周对称结构，其应力场会随着被动齿轮啮合位置的变化而变化，考虑将差速器壳旋转一周分解为18个啮合状态，故被动齿轮沿齿根圆周向等分为18份，每份区域连接角度为
式中，ε为被动齿轮重合度；z为被动齿轮齿数。被动齿轮凝聚节点轴向位置为齿宽中心，径向位置为节圆半径。
差速器壳凝聚节点位置如图5所示。
差速器壳静力子结构创建的步骤具体为：
在Abaqus软件输出的差速器壳有限元模型的INP文件中，加入静力子结构计算关键字，提交计算后，得到差速器壳有限元模型的刚度矩阵文件。
差速器壳静力子结构替换的步骤具体为：
将差速器壳静力子结构的凝聚节点编号和坐标、刚度矩阵文件导入电驱动桥总成MASTA模型中替换差速器壳，得到替换后的电驱动桥总成MASTA模型如图6所示。
电驱动桥总成MASTA模型仿真工况，具体如下：
在电驱动桥总成MASTA模型中定义如表1所示的仿真工况。由于输入转速不影响差速器壳应力场，故统一采用最高转速，但在计算差速器壳疲劳寿命时会将输入转速与实验时间相乘得到差速器壳目标循环寿命。
在FEMFAT TransMAX模块中可以通过直接定义应力缩放系数(BaseMultiplication Factor)来计算其他扭矩下的疲劳损伤，故只需计算320NM下的差速器壳应力场。
表1仿真工况
完成仿真工况定义后，在MASTA软件中提交计算，即可得到差速器壳旋转到不同角度时各凝聚节点的6个自由度方向的受力，并以Force.inp文件的方式输出。
差速器壳应力场的计算，具体步骤为：
将各凝聚节点的受力作为载荷加载到差速器壳有限元模型上，得到差速器壳旋转到不同角度时的应力场。
考虑差速器壳材料的S-N曲线；考虑铸造工艺表面粗糙度的影响；存活率为99％；通过定义不同的应力缩放系数来计算载荷谱中其他扭矩下的应力场，并将输入转速与实验时间相乘得到差速器壳目标循环寿命，要求差速器壳疲劳寿命必须大于载荷谱寿命要求。
差速器壳疲劳寿命的计算，具体步骤为：
在FEMFAT软件TransMAX模块中加载差速器壳旋转到不同角度时的应力场。
输入差速器壳材料QT550的材料参数，得到QT550的S-N曲线，如图7所示。
考虑铸造工艺表面粗糙度的影响，并设定存活率为99％。
通过定义不同的应力缩放系数(Base Multiplicati-on Factor)来计算其他扭矩下的应力场，并将输入转速与实验时间相乘得到差速器壳目标循环寿命，如表2所示。
表2应力缩放系数与目标循环寿命
差速器壳疲劳寿命如图8所示，最低疲劳寿命1.29，表示差速器壳按台架试验载荷谱进行1次试验不会发生疲劳破坏。
综上所述，本发明根据总成布置图纸建立驱动桥总成模型，采用静力凝聚子结构方法将桥壳总成和半轴等零部件用刚度矩阵代替；输入齿轮参数和扭矩；轴承简化为具有一定刚度的弹簧；对连接在差速器壳上的齿轮仅保留齿根圆内的部分；将差速器壳旋转一周分解为18个啮合状态，将差速器壳受力位置进行耦合，耦合节点作为保留自由度的凝聚节点，即静力子结构交界面节点。考虑差速器壳材料的S-N曲线；考虑铸造工艺表面粗糙度的影响；存活率为99％；通过定义不同的应力缩放系数来计算载荷谱中其他扭矩下的应力场，并将输入转速与实验时间相乘得到差速器壳目标循环寿命，操作方便、直观。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (5)
1.一种驱动桥差速器台架试验疲劳寿命仿真分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据总成布置图纸建立电驱动桥总成模型，输入齿轮参数和扭矩；
S2、差速器壳子结构模型的创建；
S3、差速器壳疲劳寿命计算。
2.根据权利要求1所述的一种驱动桥差速器台架试验疲劳寿命仿真分析方法，其特征在于，所述S1中，根据电驱动桥总成布置图纸和各零件图纸，同时输入齿轮参数和轴承参数，在MASTA软件中搭建电驱动桥总成模型；
其中，轴承简化为弹簧，所述轴承参数为弹簧的刚度参数。
3.根据权利要求2所述的一种驱动桥差速器台架试验疲劳寿命仿真分析方法，其特征在于，所述S2中，差速器壳子结构模型的创建步骤包括：
创建差速器壳有限元模型：
将差速器壳的UG模型进行几何清理后，采用C3D10单元划分为有限元模型；对被动齿轮轮辐沿齿根圆进行切割，仅保留齿根圆内的部分；由于被动齿轮仅起到传递齿轮啮合力的作用，故对被动齿轮轮辐采用C3D4单元划分网格；
由于差速器壳不是圆周对称结构，其应力场会随着被动齿轮啮合位置的变化而变化，考虑将差速器壳旋转一周分解为18个啮合状态，故被动齿轮沿齿根圆周向等分为18份，每份区域连接角度为
式中，ε为被动齿轮重合度；z为被动齿轮齿数，被动齿轮凝聚节点轴向位置为齿宽中心，径向位置为节圆半径；
创建差速器壳静力子结构交界面节点：
在差速器壳有限元模型创建后，将差速器壳受力位置，将轴承安装面、行星齿轮轴接触面采用分布耦合方式进行耦合，耦合节点作为保留自由度的凝聚节点，即静力子结构交界面节点。
4.根据权利要求3所述的一种驱动桥差速器台架试验疲劳寿命仿真分析方法，其特征在于，将差速器壳静力子结构的凝聚节点编号和坐标、刚度矩阵文件导入电驱动桥总成MASTA模型中替换差速器壳，得到替换后的电驱动桥总成MASTA模型。
5.根据权利要求1所述的一种驱动桥差速器台架试验疲劳寿命仿真分析方法，其特征在于，所述S3的步骤包括：根据差速器壳材料的S-N曲线以及铸造工艺表面粗糙度，通过定义不同的应力缩放系数来计算载荷谱中其他扭矩下的应力场，并将输入转速与实验时间相乘得到差速器壳目标循环寿命。
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