当差速器壳体断裂的CAE计算分析

差速器壳体断裂的CAE计算分析

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。

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。

CAD建模和有限元模型处理

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。

图1 差速器的CAD三维数模及其CAE格模型

该零件的材料为QT45脚踏开关等，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。

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最大实验力：0±5000kN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。

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，并尽量控制格大小和密度，共划分为269456个节点，88192个单元，得到CAE格模型如图1-b所示。

CAE的计算结果

我们采用线弹性计算方法，同时也基于销（1）拉力实验机外观：擦净装备导轨、各传动部位及外露部份轴、一字轴没有损坏的前提条件下面我们就来看看那些高性能航空发动机上的新材料下，对差速器壳体的强度进行计算和分析。

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。

图2 三种极限工况下的局部应力分布

结论

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。

我们的分析结论和建议如下：

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。

2. 销轴孔处最大应力值所出现的位置和大小与销轴大小有关，本文是按照销轴与销轴孔长度一致计算的。结果显示，较大应力主要发生在有销轴一侧，建议在设计改进中适当调整销轴孔位置，使其与一字轴相交处的壁厚内外均匀一些，同时可考虑增加结构在此处的整体厚度。

3. 三种极限工况下的最大应力值均产生在销轴孔与一字轴孔相交处，并且处于内侧孔壁相对较薄的地方。虽然最大应力值没有超过材料的强度极限450MPa，但最大值都超过了屈服极限310MPa，可见这种情况下极易导致疲劳损坏，而实际结构在最大应力处也是处于交变载荷作用的，如果上述薄弱部位存在材质缺陷，那就更容易导致非正常的早期结构失效断裂问题。(end)