横置手动变速器用差速器壳体仿真分析

摘要：本文针对横置手动变速器用差速器研发过程中壳体的结构仿真验证进行研究。本文详细介绍了差速器壳体的仿真分析和判断方法，并从差速器壳体本体、差速器内置零部件匹配两个方面对变速器壳体的结构分析进行了研究；提出不同使用工况的分析建议。最终全面地完成了差速器开发流程中对于壳体的分析校核和结构验证。

关键词：双输出轴式；差速器壳体.

Simmulation Analysis About Differential Housing In Transversal Manual Transmission

Cheng Ge、Yang Qiang、 Zhu Junfang

（Technical Center，Great Wall Motor Company Limited； Major Lab. of Vehicle Safety Integration and Smart Control in Hebei Province，Baoding 071000）

Abstract：This paper studies the simmulation verification of differential housing in transversal manual transmission in the R&D process.It expands on simmulation analysis method and judgement method ， studiesdifferential housing structure analysis from two respects of differential housing body and inner parts system matching；It offers some advice in the different work-conditions. Finally， it completes the parameter check and structure test of the housing in the differential development flow very well.

Keywords：Double Output；differential housing

中图分类号：C35 文献标识码： A

1 前言

有限元法是一种现代化的机构设计计算方法，在一定的前提条件下，它可以准确计算各种机械零件的强度、刚度，表征任何部位的应力和变形。从而成为汽车零部件优化的重要分析工具。本文以某款横置变速器用差速器壳体为研究对象，用有限元方法分别研究和计算了两驱和四驱差速器壳体的应力和变形情况，验证设计参数的可行性。在不降低性能的前提下，国内各大车企多年来一直致力于汽车产品仿真分析和模拟验证研究工作，积累了大量经验，并在中国的汽车市场上取得了可观的经济效益。

2 差速器相关设计参数

整车相关设计参数

差速器相关设计参数

3 差速器壳体的有限元建模

有限元建模的流程一般为： 建立或读入三维CAD模型选择求解器模型清理及网格划分设置材料特性及单元特性施加边界条件设置分析参数提交运算后处理及结果评定。

3.1 差速器壳体几何模型的建立

差速器壳体与行星齿轮、行星齿轮轴、差速器齿圈、半轴齿轮、行星轴锁销等组成差速器总成。差速器壳体作为横置变速器总成的重要承载和传动部件，其设计不仅要符合总成系统的功能要求，满足汽车横置变速器后部空间布置的边界条件， 而且还要考虑自身外形结构的合理性以及机加工艺性和装配性。所以差速器壳体是一个外形结构非常复杂的零件。本文采用UG直接建模的壳体三维模型，通过几何转换为igs格式，实现CAD 模型与有限元分析软件前处理软件的数据交换， 避免了在传送过程中数据的丢失。

3.2 差速器工况分析及边界条件加载

为了准确地进行差速器壳体的强度分析，本模型建立了包括行星齿轮、行星齿轮轴、差速器齿圈、半轴齿轮、行星轴锁销的有限元总成装配分析模型。

3.2.1 差速器工况

差速器的运转工况主要有两种，汽车直线行驶和匀速转弯。对于普通的锥齿轮差速器，汽车匀速转弯时行星齿轮和半轴齿轮对差速器壳体的面压力变化可以忽略，故只考虑汽车直线行驶工况即可；对于具有锁止或限滑等其它功能的差速器，还可酌情考虑其它极限工况。

3.2.2 边界条件加载

3.2.2.1两驱型差速器边界条件设定

图1：两驱模型边界条件示意图 图2：载荷加载位置示意图

图3：螺栓预紧力示意图

两驱模型的边界条件加载时认为输出传动轴传递的最大输出扭矩和整个差速器系统达到了瞬时受力平衡。约束差速器壳体两端轴承（图1中A、B）的六个自由度，固定半轴齿轮的轴向转动自由度，释放其余五个自由度（图1中C、D），行星齿轮与半轴齿轮对齿面做摩擦接触。有限元模型采用四面体单元，连接单元采用了rb2和rb3单元，同时计算和加载了差速器齿圈齿面的圆周力、径向力和轴向力。

差速器壳体与差速器齿圈使用螺栓连接时应加载螺栓预紧力，螺栓预紧力如图3所示。另外，为了简化分析，根据模型结构对称性，一般可在差速器齿圈半个圆周上选取五个位置加载三向力，相邻位置间夹角为45°，加载位置如图2所示。

3.2.2.2四驱型差速器边界条件设定

四驱型差速器壳体在按照两驱型差速器壳体分析方法进行分析的基础上，增加壳体花键的分析（如图4）。

图4：四驱模型花键校核示意图

4 材料参数

差速器壳体材料参数表如下：

5 分析计算及结果评定

在直线行驶工况下，根据有限元后处理的应力应变云图和变形量分布，可按差速器壳体对应材料参数表中的数据与分析结果中危险部位的最大值进行比较判断；对于变形量则可根据材料特性和产品设计任务书中的使用要求进行综合判断。

4 结语

横置变速器总成结构设计和仿真分析是产品开发流程中一项非常重要的设计工作。差速器壳体作为横置变速器总成中关键承载和传动零部件，其精确的参数设计和校核分析结果不仅对差速器本身十分重要，而且还直接影响到整车动力性和转向安全性能。差速器壳体及匹配零件在各工况下的变形数据， 还可以作为后桥传动系统校核的基础输入数据，对变速总成及整车的设计有非常重大的意义。

参考文献：

1 刘鸿文，等.材料力学 第四版. 北京：高等教育出版社，2004.1

2 刘维信，等. 汽车设计. 北京：清华大学出版社，2001.

3 卢耀祖，周中坚等. 机械与汽车结构的有限元分析. 上海：同济大学出版1997

4 石亦平，周玉蓉. ABAQUS 有限元分析实例详解.

北京：机械工业出版社，2006.6

5 付永华. 有限元分析基础. 武汉：武汉大学出版社，2003，8