轮式装载机驱动桥差速器壳体的结构优化设计

轮式装载机驱动桥差速器壳体的结构优化设计

摘要：利用ANSYS软件中的优化设计模块．建立轮式装载机驱动桥差速器壳体

的结构优化计算模型，并实现优化迭代计算。经过优化迭代计算并作局部结构调

整后的差速器壳体。一方面加强了原设计方案的薄弱部位。另一方面也使得整个

结构布局更合理。优化设计后的差速器壳体重量减轻了13．7％．降低了材料的

成本。

关键词：轮式装载机；差速器壳体；有限元分析；优化设计

差速器是轮式装载机驱动桥的重要组成部分。发动机输出扭矩经过变速箱后

传递至主传动，然后由差速器与左右半轴进行分开传动．保证装载机驱动桥(见图1)两侧车轮在行程不等时，能以不同速度旋转．从而满足行驶运动学的要求。差

速器壳与半轴通过法兰固定联接．把扭矩传递至两侧的轮边减速机构。

在国内某型号大型轮式装载机驱动桥开发设计中，利用有限元优化分析技术，对驱动桥的差速器壳体(见图2)进行了校核计算与结构优化设计。

1工况与载荷分析

轮式装载机采用的是防滑式差速器．根据两侧轮胎处的地面行驶条件．差速

器自动调整分配给左右半轴的扭矩比例．从而能保证装载机在不良路面条件下的

通过性。也就是说。在装载机作业行驶过程中．差速器壳体承受的扭矩是变化的。取极限作业工况作为差速器壳体的设计校核工况。即装载机发动机的最大输出扭矩．经过各级传动后．作用在差速器的单侧．也就是说此工况下两侧的轮胎，一边达到最大输出扭矩．另一边输出扭矩为0。可求出作用在差速器壳体上的

最大扭矩

式中τmax——发动机输出的最大扭矩；

i——从发动机输端至差速器输入端之间的总传动比。

2建立有限元模型与分析

在HyperMesh软件中完成差速器壳体网格的划分．通过软件接口将网格模型

导入ANSYS中。与半轴花键联接处施加固定约束。在法兰安装孔处施加周向集中

载荷

式中N——法兰螺栓的数量：

R——法兰螺栓周向布置半径。

差速器壳体有限元模型参数：单元类型Solid45．单元数量：259403，节点数量：74805。有限元模型如图3所示。

差速器壳体是铸铁件，材料为QT500，其力学性能参数见表l。

在进行优化设计前．需要求解出差速器壳在极限工况下的应力情况．以便选

取优化迭代计算的相关参数，得出优化初值。应力分布图如图4所示。

从分析结果来看．差速器壳体的最大应力值为257MPa．零件的安全系数

S=300／257=1．17，偏低。

3建立优化计算模型

ANSYS8.0提供了优化设计模块“Design OPT”,通过界面的交互操作可以很方便地创建优化的数学模型。

(1)设计变量的确定

为了保证差速器的互换性．零件的安装与配合尺寸不作为设计变量。设计变量的选取。如图5所示。通过“Design Variables”模块的交互操作完成4个设计变量的设定,X=[x1，x2，x3，x4]。

(2)约束变量的确定

对承载结构件．一般选取应力值作为约束变量。根据初步分析结果．选取壳体5个位置处的应力值作为约束条件。通过“State Variables”模块的交互操作，完成约束变量的设定，σ=[σ1，σ2，σ3，σ4，σ5]，且满足，σ≤200MPa。

(3)目标函数的确定

根据“目标变量是设计变量的函数”的原则．把壳体的总重量作为优化设计的目标变量。通过“Objective Function”模块完成目标函数的设定：WT=f（X）。

综上所述．该工程问题的优化数学模型为

4优化计算与结果

完成优化模型的创建后，选择优化方法：零阶方法(直接法)。ANSYS是面向工程问题的通用软件．其他参数设置按默认即可。点击“Run”模块，开始进行优化迭代计算。经过11次迭代后优化计算收敛结束。目标函数值WT由30.6kg下降至25.2kg。迭代曲线如图6所示。

各设计变量X的迭代过程，如表2所示(限于篇幅仅列部分迭代过程)。从优化结果来看：加强肋的设计变量x1、x2优化迭代后变小，而设计变量x3、x4优化迭代后变大。为了便于设计与制造，对设计变量的迭收收敛值取圆整值。

根据圆整结果，再重新建立差速器壳体的Pro/E三维模型，如图7所示。整个壳体重量为26.4kg，比原壳体减轻4.2kg，降重幅度为13.7%。再次对新的差速器壳体进行有限元计算校核，应力云图见图8，最大应力值为198MPa，安全系数S=300/198=1.52，满足使用要求。

结束语

优化设计后的差速器壳体．不仅结构强度优于原有结构，且零件的总重量下降了13．7％，降低了零件的材料成本。

参考文献：

[1]李黎明．ANSYS有限元分析实用教程[K]．北京：清华大学出版社．2005．

[2]张朝晖．ANSYSll．O结构分析工程应用实例解析[M]．北京：机械工业出版社．2008．

[3]杨占敏，王智明．轮式装载机[M]．北京：化学1二业出版杜，2006．