差速器是汽车驱动桥总成中的主要功能部件,其作用是向车桥的两边半轴传递动力的同时,允许两边半轴以不同的转速旋转,满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式做不等距行驶,减少轮胎与地面的摩擦。差速器的重要性可想而知,在用户使用的过程中,如果差速器出现任何故障,都会影响整车的正常安全行驶。
uNDkK o<M fC[gu$f][ 某轻型车的售后反馈资料显示,该车差速器的常见故障中,差速器的壳体易出现早期失效断裂,影响用户使用。为找出该车型差速器壳体早期失效断裂的原因,我们对其进行了多种装配关系的对比分析,希望为判断失效原因和结构改进提供理论依据。
JJr<cZ4] oj, CAD建模和有限元模型处理
G<I5%Yo6G c@P, 该车型差速器的CAD三维数模见图1-a,这是我们进行进一步结构强度分析和优化改进的基础。通过ANSYS软件的专用接口,我们将这个CAD三维数模读入ANSYS WORKBENCH分析环境当中进行计算和分析。
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t<=L&:<N 图1 差速器的CAD三维数模及其
CAE网格模型
g}7B0 yo 6 s/O\A 该零件的材料为QT450-10,弹性模量为1.73e5MPa,泊松比为0.3,密度为7.0e3kg/m3,屈服极限为310MPa,抗拉强度为450MPa。在ANSYS WORKBENCH分析环境中,根据差速器结构的实际运动状态,我们将其边界条件选择在一字轴孔和一字轴销孔处,然后根据设计载荷在模型上施加扭矩。
6 9Cxh X,b}d#\ 考虑到实际结构的装配间隙情况,我们分三种极限工况:一是销轴与销轴孔间隙大于一字轴与一字轴孔间隙;二是销轴与销轴孔间隙等于一字轴与一字轴孔间隙;三是销轴与销轴孔间隙小于一字轴与一字轴孔间隙。
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DAa &W%TY:Da| 另外,考虑到该零件的断裂可能是由于局部应力集中过大造成的,本次分析采用实体单元,并尽量控制网格大小和密度,共划分为269456个节点,88192个单元,得到CAE网格模型如图1-b所示。
\`^jl ,o`qB81 CAE的计算结果
-MZ Eli g ??Lxb% 7R 我们采用线弹性计算方法,同时也基于销轴、一字轴没有损坏的前提条件下,对差速器壳体的强度进行计算和分析。
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`r ,DjZDw 通过计算可得到各种孔配合间隙情况中,三种极限工况下的最大应力值分别为:销轴与销轴孔间隙大于一字轴与一字轴孔间隙时为408.37MPa,销轴与销轴孔间隙等于一字轴与一字轴孔间隙时为317.55MPa,销轴与销轴孔间隙小于一字轴与一字轴孔间隙时为326.89MPa。三种工况下的局部应力分布如图2所示。
a]*^uEs
)]}*oO 图2 三种极限工况下的局部应力分布
q&.!*rPD (0S"ZT 结论
z"-Urd^O Mm5l> D'c 从CAE计算分析的结果来看,该差速器壳体的局部存在较大的应力集中问题,并且出现了超过材料屈服极限的情况。
tP UQ"S +1Uw <~ 我们的分析结论和建议如下:
KNnE5f sTb/l!=o 1. 不同的装配间隙对局部的受力情况有很大影响,因此,在零件的设计过程中就应注意不同的间隙配合,做出更合理的设计,并在零件的加工中对工艺方案及配合
公差做出严格的控制。
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