2024年3月16日发(作者：狄文栋)
Equipment
Manufacturing
Technology
No.11
,
2020
Z11
巴哈赛车前差速器的轻量化研究
刘展钊
，
梁童健,黄薪谋
，
方
正
*
(北部湾大学机械与船舶海洋工程学院
，
广西
钦州
530023
)
摘要
：
为研究
Z11
赛车动力系统前差速器的轻量化
，通过有限元分析和拓扑优化结合
，
拓扑优化设计流程为建立初始
模型
-
拓扑优化
-
模型重建
-
有限元分析
-
满足性能要求
-
不满足性能要求改到满足要求为止
，
得到了新的差速器
模型
，
在质量上减少了
33%的重量
，
在满足强度的条件下做到了前差速器的结构简便
，
维修方便
，
实现了轻量化设计目
标
，
对赛车零部件设计思路具有一定的参考作用~
关键词
：
前差速器
；
轻量化
;
ANSYS
有限元分析
;
拓扑优化
中图分类号
：
U463.8
文献标识码:
A
文章编号
：
1672-545X(
2020
)
11-0064-05
0
前言
中国汽车工程学会巴哈大赛
(
BajaSAE
China
,
简称
BSC
),
是一项由高等院校
、
职业院校汽车及相
关专业在校生组队参加的越野汽车设计
、
制造和检
(
2
)
设
型材料
，
经查阅
《
工程材料力学性能
》
11
测的比赛
，
各参赛车队按照赛事规则在一年时间内
自行设计和制造岀一辆动力强劲
，
符合人机工程学
的一辆小型越野赛车
,
2020
年赛季的启动
，
也意味着
四驱系统的应用
，
前差速器的用
四驱车辆
Vg
三维模型
实物模型
的
，
速器
是汽车在
和
行驶时将汽车在左右驱动轮与不同的旋速
图
1
前差速器模型示意图
动
，
汽车在
时轮
表
1
40cr
材料属性
材料名称
40cr
与
的
力
动
力
，
的前速器
前
弹
NMm
2
)
泊松比
0.277
质密度
Ng/m
3
)
7.87E+03
抗剪
N
m
2
)
合
的
驱动轮的动力
，
汽车
，
2.11E+11
8.28E+10
，
在
用强
的
时
张力强
/
(N/m
2
)
9.80E+08
屈服强
NMm
2
)
热扩张系数
/
(
/Kelven
)
1.20E-05
比热
/(J/(kg-K
))
4.60E+02
热率
/(W/(m-k
))
速器的
设计
7.85E+08
44.00
3
行
Z11
赛车动力系统前
速器的
1
原始
Z11
赛车动力系统前差速器的模型
分析
前差速器的用
，
设计
Z11
赛车
动力系统前
速器的
型
，
行
，
分
，
用自动
2
。
(
4
)
根据
Z11
车辆实际工况情设置约束和载荷
，
计算得出纵向力
=
F
=
斗半
3
°6°5<
0.
3
8
"
2
=
116.28
N
"
2
#
步骤如下
：
(1
)
行
%
=
23
N
,
F
=
力
，
"
=
动机最大扭矩,
型前差速器三维模型
，
并用
ANYS
软
/
=
传动比,
'
=
车轮半径
后进行求解
。
收稿日期
：
2020-08-22
作者简介:
刘展钊
(
2001-
)
，
男
，
广西钦州人
，
本科
，
研究方向:车辆工程
。
通信作者:
方
正
(1994-
)
，
男
，
湖北天门人
，
硕士
，
教师
。
64
0.045
图
2
前差速器网格划分示意图
J
:
Static
Structural
Static
Structural
Time:1.s
；
Fixed
Support
I
Force
：
116.N
CForce
：
2
：
116.N
DForce
：
3
：
22.N
|A
|
:
D
0.000
0.100m
0.050
吊耳固定点
轴承
轴承支撑力
支撑力
N
•半轴横向力
轴横
重力
主动圆锥齿轮纵向力
图
3
Z11
前差速主要情况示意图
在图
3
中结合
Z11
车辆本身的实际工况可以看
得岀前差速器
，
主要是受到前差速器机构和连接半
轴轴承的支撑力
，
前差速器运动时在不平路面和汽
车转向时轮胎半轴对前差速器产生的横向力
，
在前
差速器壳体前端处和输入轴圆锥齿轮处产生一个纵
向力
，
壳体外部设计有四个安装固定点
，
最后进行求
解求解
。
在图
4
可以看出最
力
生在
齿轮和主动
齿轮的安装处
2.5
MPa
， 的
接
1/5
处
，
在
壳体连接行
齿轮
的
是
1.4
MPa
到
2.2
MPa
，
接
2-5.
最
的部
在安装点的
是
0
到
1.1
MPa
,
接
3/5
，
图
3
总变形云图可知
，
最大变形岀现在前差速器壳体前
《
装备制造技术
＞
2020
年第
11
期
端
，
变形量为
0.000
000
9
mm
，
，
由应力云图可知
，
最
力在主动齿轮和齿轮下部的安装处
，
2.57
MPa
，
应力
不
匀在图
5
可以看的岀
设
计
得到的前差速器在
，
在
力
不
匀
变形量
体
的
，
要
进设计
方法
。
F
:
Static
Structural
Total
Deformation
Type
：
Total
Deformation
Unit
：
m
Time:1
9.6097e-7
Max
8.542e-7
7.4742e-7
6.4065e-7
5.3387e-7
4.271e-7
3.2032e-7
2.1355e-7
1.0677e-7
0Min
0.000
0.100m
0.050
图
4
前差速器总变形量分布云图
F
:
Static
Structural
Equivalent
Stress
Type
：
Equivalent
von-Mises
)Stress
Unit
Time:1
：
Pa
.
-
:雲
—
I
2.578e6
Max
-一一
皿盛
6
」
8.5987e5
2
濫
■
■
0.000
0.090m
0.045
图
5
前差器等效应力分布云图
2
Z11
动力系统前差速器的拓扑优化设计
topology
optimization
）
是一
定
的
况
和
，
在
定的
对
进行
的
，
是结构
的一
，
在
ANSYS
中
，
2
个
，
静力
，
力
是
的
，
要
后的
，
进行
构
，
最后
入有
分析
，
，
下
：
65
Equipment
Manufacturing
Technology
No.11
,
2020
牟卫
-----
蠶謡魏
拓扑优化
"
-
优化参数
;
1
--------------
[
模
9
重构
:
1
:
■
.
「
有限元分析
卜
-----
1
CAE
分析处酊
.
]
好
'.
分析报告
「
图
6
拓扑优化流程
为了达到前差速器的轻量化
，
根据
Z11
赛车动
力系统前差速器原模型,进行拓扑优化
，
设定拓扑区
域设定响应条件,定义响应条件为质量
，
保留原始模
型质量
67%
,
优化后的壳体模型如图
7
所示
。
C
:
Topology
Optimization
Topology
Density
Type
：
Topology
Density
Iteration
Number:9
Remove
0.0
to
0.4
)
Marginal(0.4
to
0.6)
Keep(0.6
to
1.0)
0.000
0.1
00m
0.050
图
7
前差速器的拓扑优化图
在图四中保留原始模型质量
67%
可以优化部分
接近半轴齿轮的
1/3
处,在主动齿轮的安装和大齿轮
处可以进行优化设计
，
在图
8
中看的岀
Keep
部分是
前差速器自动划分网格
，
在有限元的基础上
,
红色部
分可以进行优化
，
红色部分主要分散在壳体外部边
缘处
，
红色分布
的处在前差速器的主动齿轮入
处
，
优化部
，
可进行模型
66
C
:
Topology
Optimization
Topology
Density
Type
Topology
Density
Iteration
Number:9
Remove
0.0
to
0.4
)
Marginal
0.4
to
0.6
)
一:
Keep
(
0.6
to
1.0)
0.000
0.100m
0.050
C
:
Topology
Optimization
Topology
Density
Type：
Topology
Density
Iteration
Number:9
j
jRemove
0.0
to
0.4)
Marginal(0.4
to
0.6)
Keep(0.6
to
1.0)
0.000
0.100m
0.050
图
8
前差速器细节拓扑示意图
3
模型重构
根据优化后的模型
，
在
模
件
件中进
行重构
，
到新的前差速器模型
，
如图
9
、
图
10
所示
。
6
2
3
>
t
5
4
7
8
9
10
11
1.
刖差速器壳体
2.
3
•
轴
4.
行齿轮
5.
轴齿轮
6
.
行星齿轮壳体
7
•从动齿
8.
前差速器壳体
9
•左半轴齿轮
10
•
主动
齿轮
11.
主动圆锥齿轮保壳
图
9
前差速器爆炸图
前差速器
装
行星'图
图
10
新型前差速器展示图
为了减轻前差速器的重量
，
这款差速器改变了
行星齿轮的结构
，
在原有的基础上改变连接固定方
式
，
减掉不必要的重量
,
结构简单
，
小巧
,
维修方便
,
为了验证
Z11
赛车动力系统前差速器壳体在原基础
上拓扑优化的结果是否可行
，
运用
ANSYS
有限元软
件分析
，
进行强度分析
。
4
有限元分析
在图
11
前差速器的变形云图中可以看得出
，
前
差速器最大的形变位于大齿轮运动时的背面
，
前差
速器最大的变形时可以达到
0.000
000
04
mm
,
在前
差速器运动
构最
变形
基
不变形
不
位移
。
D:Static
Structural
Total
。
点丘呦玄山
“
Type
：
TotaC
Deformation
Unit
：
m
Time:1
I
4.<563e
3.6056e-'
—
'
7Max
L
3.1549e-'
匚
2.7042e
」
匚
2.2535e-'
-7
匚
1.8028e-
(
匚
1.3521e-'
匚
9.0139e-
匸
4.507e-8
,
Min
0.000
0.080m
0.040
图
11
前差速器变形云图
图
12
所示
，
前差速器在运动
程中的结构
应力变化范围，
应力最
生在大齿轮装
齿轮壳体的连接
，
是
1.74
MPa
，
分
接
1/6
，
在前差速器壳体的动
齿轮
的
是
1.1
MPa
到
1.54
MPa
,
分
接近
2/6
,
最
小的
分
在前差速器的
连接
动齿轮
进口处
1.1
MPa
，
数值是
0.39
MPa
到
1.1
MPa
，
分布
《
装备制造技术
》
2020
年第
11
期
接
方
3/6
最
应力
生
齿轮
装
背面和半轴壳体的连接处
，
应力值为
1.74
MPa
，
远小
于许用安全应力
，
结构安全
。
D
:
Static
Structural
Equivalent
Stress
Type
：
Equivalent
von-Mises
)
Stress
Unit
Pa
Time:1
1.7415e6Max
1.5486e6
1.3557e6
1.1629e6
9.6995e5
7.7706e5
5.8416e5
3.9126e5
1.9837e5
5471.4Min
0.000
0.010m
0.050
图
12
差速器有限元应力分析图
了款差速器的重量
，
在
UG
维软件
上
款差速器进行了
量分析
（
图
13
）
，
在
维软
件上
款差速器
为
40cr
，
原
款差速器
的
重量
，
得
了
结果
，
第
款差速器重
量为
2
202
g
,
体
为
281
mm
,
第二款改进后的重量
为
1
473
g
,
体积为
18
8.1
mm
。
图
13
前差速器前后质量对比图
67
Equipment
Manufacturing
Technology
No.11
,
2020
部件设计思路具有一定的参考作用
5
Z11
新前差速分析与结果比对
参考文献
：
针对拓扑优化后得到的新前差速器模型进行有
限元分析
,
其设置初始条件
,
如材料
、
单元
、
网格
、
约
束与载荷都与原始前差速器模型分析时相同
，
因此
[1]
对
ANSYS
有限元分析方法的模态分析的研究
[J]
.企业导
,
2013(11)
：
290.
[2]
[3]
[4]
,
,
.
有限元方法的汽车驱动桥壳分析
得到总变形
、
等效应力
、
面积分析结果如表
2
。
表
2
新旧前差速差结果数据对比图
类型数据
[J].CAD/CAM
与制造业信息化
,
2015(4
)
：
45-48.
,
.FSAE
,
力
的现状与发展综述
[J].
用
，
2018(9
)
：
92-94.
体积
/mm
281
总变形量/mm
0.0000009
0.0000004
等效应力
/MPa
2.5
质量
/g
2202
,
.四速自动变速器行星齿轮机构的研
原模型
新模型
[J].
农业装备与车辆工程
,
2018
,
56(4
)
：
30-35.
[5]
王亚军
，
王峰
，李约翰
.
有限元分析
1.7
1473
188
在结构计算中的比
由表
2
所知
，
利用拓扑优化设计的前差速器壳体
与原始前差速器壳体
，
在总变形
、
等效应力
、
质量和
较及望
[J].
优化
,
2003(4
)
：
50-52
,
54.
[6]
Polaris
Industries
Inc.;
Patent
Application
Titled
"Snow
Bike
And
A
Front
Suspension
For
A
Snow
Bike
"
Published
Online
面积的结果相比
,
不仅分布更为均匀
,
而且数值也大
幅降低
，
幅
总变形量
0.000
000
5
m
m
,
等
(USPTO
2
)
.
2018:3097.
[7]
刘涛,杨国平
，
曹
俊.基于
ADAMS
的高频破碎锤振动箱
效应力
0.8
MP
,
差速器新和
体积
92.9
mm
,
大
的约
前
的面积问
,
的部件有足够的空间进行维护与维
，
的力学仿真
[J].
矿山械
,
2015
,
43(1
)
：
72-76.
[8]
肖莹
，
赵军
.
高压对
40Cr
钢高温回火力学性能的影响
[J].
热
在前差速器壳体的质量上
729
g
原总质量
加工工艺
,
2020
,
49(16)
：
156-158.
[9]
G
Ashwin
Prabhu
,
Prabhu
G
Ashwin
,
Muninathan
K
,
et
al.
Static
Analysis
of
Aluminum
6063
Alloy
for
Steering
Knuckle
Application
in
Student
Formula
Car.
2020
,
923
1
)
012007.
的分
33%
。
因此
，
拓扑优化设计得到的新前
差速器
，
在
降低前差速器质量的同时
，
解
前差速器
体应力分布不均,
变形量大和体积大的
[10]
Jixiong
Li
,
Jianliang
Tan
,
Jianbin
Dong.
Lightweight
Design
of
Front
Suspension
Upright
of
Electric
Formula
Car
Based
on
Topology
Optimization
Method.
2020
,
11(1)
：
30-35.
问题
。
[11]
施胤成
，
闫怀德
，
宫鹏
，
等
.
Zernike
数优化模型的光
6
结论
为研究
Z11
力
前差速器的量化
，
有限元分析和拓扑优化结
，
拓扑优化设计
学反射镜支撑结拓扑优化设计
[J].
光子学
，
2020
,
49
6
)
209-220.
[12]
袁
冈
y,
陈晓峰
，
尹晓飞
.
模
分析的乘用车变速器壳
为
初始模型
-
拓扑优化
-
模型
-
有限元分
-
不足
体振
优化设计
J].
械工程与
化
,
2012(6
)
：
80-82.
[13]
沈伟
，
，
王
，
等
.
拓扑优化的变速箱壳体轻量化
设计
J]
.农机化研究
,
2018
,
40(4
)
：
234-241.
[14]
易军
，
，
王
，
等
.
收获
变速器箱体静力学分析与结
进
卩]
.
中
化学报
,
2016
,
37(6
)
：
18-22
,
38.
[15]
田增
，
郑德聪,郭玉明
，
等
.
柠条收割机变速箱壳体有限
析
-
足
到满足要求为
，
得到了新的差速器模型
，
在质量上
33%
的
量
，
在
足
的条件
到
前差速器的结
简便
，
维
，
量化设计
，
对
元分析
卩]
.农机化研究
,
2013
,
35(12
)
：
63-66
,
73.
Lightweight
Research
on
Front
Differential
of
Z1
1
Bach
Racing
Car
LIU
Zhan-zhao
,
LIANG
Tong-jian
,
HUANG
Xian-mou
,
FANG
Zheng*
(School
of
Mechanical
and
Marine
Engineering
,
Beibu
Gulf
University,
Qinzhou
Guangxi
530023
,
China
)
Abstract
：
In
order
to
study
the
lightweight
of
the
front
differential
of
Z1
1
racing
car
power
system
,
through
the
combination
of
finite
element
analysis
and
topology
optimization
,
the
topology
optimization
design
process
is
to
es
tablish
the
initial
model
topology
optimization
model
reconstruction
finite
element
analysis
meet
the
performance
requirements
not
meet
the
performance
requirements
to
meet
the
requirements
,
a
new
differential
model
is
ob
tained,
which
reduces
the
weight
by
33%
in
mass
and
meets
the
strength
requirements
.The
structure
of
the
front
differential
is
simple
and
the
maintenance
is
convenient.
The
lightweight
design
goal
is
realized.
It
has
a
certain
reference
function
for
the
design
idea
of
racing
parts.
Key
words
:
front
differential
;
lightweight
;
ANSYS
finite
element
analysis
;
topology
optimization
68
2024年3月16日发(作者：狄文栋)
Equipment
Manufacturing
Technology
No.11
,
2020
Z11
巴哈赛车前差速器的轻量化研究
刘展钊
，
梁童健,黄薪谋
，
方
正
*
(北部湾大学机械与船舶海洋工程学院
，
广西
钦州
530023
)
摘要
：
为研究
Z11
赛车动力系统前差速器的轻量化
，通过有限元分析和拓扑优化结合
，
拓扑优化设计流程为建立初始
模型
-
拓扑优化
-
模型重建
-
有限元分析
-
满足性能要求
-
不满足性能要求改到满足要求为止
，
得到了新的差速器
模型
，
在质量上减少了
33%的重量
，
在满足强度的条件下做到了前差速器的结构简便
，
维修方便
，
实现了轻量化设计目
标
，
对赛车零部件设计思路具有一定的参考作用~
关键词
：
前差速器
；
轻量化
;
ANSYS
有限元分析
;
拓扑优化
中图分类号
：
U463.8
文献标识码:
A
文章编号
：
1672-545X(
2020
)
11-0064-05
0
前言
中国汽车工程学会巴哈大赛
(
BajaSAE
China
,
简称
BSC
),
是一项由高等院校
、
职业院校汽车及相
关专业在校生组队参加的越野汽车设计
、
制造和检
(
2
)
设
型材料
，
经查阅
《
工程材料力学性能
》
11
测的比赛
，
各参赛车队按照赛事规则在一年时间内
自行设计和制造岀一辆动力强劲
，
符合人机工程学
的一辆小型越野赛车
,
2020
年赛季的启动
，
也意味着
四驱系统的应用
，
前差速器的用
四驱车辆
Vg
三维模型
实物模型
的
，
速器
是汽车在
和
行驶时将汽车在左右驱动轮与不同的旋速
图
1
前差速器模型示意图
动
，
汽车在
时轮
表
1
40cr
材料属性
材料名称
40cr
与
的
力
动
力
，
的前速器
前
弹
NMm
2
)
泊松比
0.277
质密度
Ng/m
3
)
7.87E+03
抗剪
N
m
2
)
合
的
驱动轮的动力
，
汽车
，
2.11E+11
8.28E+10
，
在
用强
的
时
张力强
/
(N/m
2
)
9.80E+08
屈服强
NMm
2
)
热扩张系数
/
(
/Kelven
)
1.20E-05
比热
/(J/(kg-K
))
4.60E+02
热率
/(W/(m-k
))
速器的
设计
7.85E+08
44.00
3
行
Z11
赛车动力系统前
速器的
1
原始
Z11
赛车动力系统前差速器的模型
分析
前差速器的用
，
设计
Z11
赛车
动力系统前
速器的
型
，
行
，
分
，
用自动
2
。
(
4
)
根据
Z11
车辆实际工况情设置约束和载荷
，
计算得出纵向力
=
F
=
斗半
3
°6°5<
0.
3
8
"
2
=
116.28
N
"
2
#
步骤如下
：
(1
)
行
%
=
23
N
,
F
=
力
，
"
=
动机最大扭矩,
型前差速器三维模型
，
并用
ANYS
软
/
=
传动比,
'
=
车轮半径
后进行求解
。
收稿日期
：
2020-08-22
作者简介:
刘展钊
(
2001-
)
，
男
，
广西钦州人
，
本科
，
研究方向:车辆工程
。
通信作者:
方
正
(1994-
)
，
男
，
湖北天门人
，
硕士
，
教师
。
64
0.045
图
2
前差速器网格划分示意图
J
:
Static
Structural
Static
Structural
Time:1.s
；
Fixed
Support
I
Force
：
116.N
CForce
：
2
：
116.N
DForce
：
3
：
22.N
|A
|
:
D
0.000
0.100m
0.050
吊耳固定点
轴承
轴承支撑力
支撑力
N
•半轴横向力
轴横
重力
主动圆锥齿轮纵向力
图
3
Z11
前差速主要情况示意图
在图
3
中结合
Z11
车辆本身的实际工况可以看
得岀前差速器
，
主要是受到前差速器机构和连接半
轴轴承的支撑力
，
前差速器运动时在不平路面和汽
车转向时轮胎半轴对前差速器产生的横向力
，
在前
差速器壳体前端处和输入轴圆锥齿轮处产生一个纵
向力
，
壳体外部设计有四个安装固定点
，
最后进行求
解求解
。
在图
4
可以看出最
力
生在
齿轮和主动
齿轮的安装处
2.5
MPa
， 的
接
1/5
处
，
在
壳体连接行
齿轮
的
是
1.4
MPa
到
2.2
MPa
，
接
2-5.
最
的部
在安装点的
是
0
到
1.1
MPa
,
接
3/5
，
图
3
总变形云图可知
，
最大变形岀现在前差速器壳体前
《
装备制造技术
＞
2020
年第
11
期
端
，
变形量为
0.000
000
9
mm
，
，
由应力云图可知
，
最
力在主动齿轮和齿轮下部的安装处
，
2.57
MPa
，
应力
不
匀在图
5
可以看的岀
设
计
得到的前差速器在
，
在
力
不
匀
变形量
体
的
，
要
进设计
方法
。
F
:
Static
Structural
Total
Deformation
Type
：
Total
Deformation
Unit
：
m
Time:1
9.6097e-7
Max
8.542e-7
7.4742e-7
6.4065e-7
5.3387e-7
4.271e-7
3.2032e-7
2.1355e-7
1.0677e-7
0Min
0.000
0.100m
0.050
图
4
前差速器总变形量分布云图
F
:
Static
Structural
Equivalent
Stress
Type
：
Equivalent
von-Mises
)Stress
Unit
Time:1
：
Pa
.
-
:雲
—
I
2.578e6
Max
-一一
皿盛
6
」
8.5987e5
2
濫
■
■
0.000
0.090m
0.045
图
5
前差器等效应力分布云图
2
Z11
动力系统前差速器的拓扑优化设计
topology
optimization
）
是一
定
的
况
和
，
在
定的
对
进行
的
，
是结构
的一
，
在
ANSYS
中
，
2
个
，
静力
，
力
是
的
，
要
后的
，
进行
构
，
最后
入有
分析
，
，
下
：
65
Equipment
Manufacturing
Technology
No.11
,
2020
牟卫
-----
蠶謡魏
拓扑优化
"
-
优化参数
;
1
--------------
[
模
9
重构
:
1
:
■
.
「
有限元分析
卜
-----
1
CAE
分析处酊
.
]
好
'.
分析报告
「
图
6
拓扑优化流程
为了达到前差速器的轻量化
，
根据
Z11
赛车动
力系统前差速器原模型,进行拓扑优化
，
设定拓扑区
域设定响应条件,定义响应条件为质量
，
保留原始模
型质量
67%
,
优化后的壳体模型如图
7
所示
。
C
:
Topology
Optimization
Topology
Density
Type
：
Topology
Density
Iteration
Number:9
Remove
0.0
to
0.4
)
Marginal(0.4
to
0.6)
Keep(0.6
to
1.0)
0.000
0.1
00m
0.050
图
7
前差速器的拓扑优化图
在图四中保留原始模型质量
67%
可以优化部分
接近半轴齿轮的
1/3
处,在主动齿轮的安装和大齿轮
处可以进行优化设计
，
在图
8
中看的岀
Keep
部分是
前差速器自动划分网格
，
在有限元的基础上
,
红色部
分可以进行优化
，
红色部分主要分散在壳体外部边
缘处
，
红色分布
的处在前差速器的主动齿轮入
处
，
优化部
，
可进行模型
66
C
:
Topology
Optimization
Topology
Density
Type
Topology
Density
Iteration
Number:9
Remove
0.0
to
0.4
)
Marginal
0.4
to
0.6
)
一:
Keep
(
0.6
to
1.0)
0.000
0.100m
0.050
C
:
Topology
Optimization
Topology
Density
Type：
Topology
Density
Iteration
Number:9
j
jRemove
0.0
to
0.4)
Marginal(0.4
to
0.6)
Keep(0.6
to
1.0)
0.000
0.100m
0.050
图
8
前差速器细节拓扑示意图
3
模型重构
根据优化后的模型
，
在
模
件
件中进
行重构
，
到新的前差速器模型
，
如图
9
、
图
10
所示
。
6
2
3
>
t
5
4
7
8
9
10
11
1.
刖差速器壳体
2.
3
•
轴
4.
行齿轮
5.
轴齿轮
6
.
行星齿轮壳体
7
•从动齿
8.
前差速器壳体
9
•左半轴齿轮
10
•
主动
齿轮
11.
主动圆锥齿轮保壳
图
9
前差速器爆炸图
前差速器
装
行星'图
图
10
新型前差速器展示图
为了减轻前差速器的重量
，
这款差速器改变了
行星齿轮的结构
，
在原有的基础上改变连接固定方
式
，
减掉不必要的重量
,
结构简单
，
小巧
,
维修方便
,
为了验证
Z11
赛车动力系统前差速器壳体在原基础
上拓扑优化的结果是否可行
，
运用
ANSYS
有限元软
件分析
，
进行强度分析
。
4
有限元分析
在图
11
前差速器的变形云图中可以看得出
，
前
差速器最大的形变位于大齿轮运动时的背面
，
前差
速器最大的变形时可以达到
0.000
000
04
mm
,
在前
差速器运动
构最
变形
基
不变形
不
位移
。
D:Static
Structural
Total
。
点丘呦玄山
“
Type
：
TotaC
Deformation
Unit
：
m
Time:1
I
4.<563e
3.6056e-'
—
'
7Max
L
3.1549e-'
匚
2.7042e
」
匚
2.2535e-'
-7
匚
1.8028e-
(
匚
1.3521e-'
匚
9.0139e-
匸
4.507e-8
,
Min
0.000
0.080m
0.040
图
11
前差速器变形云图
图
12
所示
，
前差速器在运动
程中的结构
应力变化范围，
应力最
生在大齿轮装
齿轮壳体的连接
，
是
1.74
MPa
，
分
接
1/6
，
在前差速器壳体的动
齿轮
的
是
1.1
MPa
到
1.54
MPa
,
分
接近
2/6
,
最
小的
分
在前差速器的
连接
动齿轮
进口处
1.1
MPa
，
数值是
0.39
MPa
到
1.1
MPa
，
分布
《
装备制造技术
》
2020
年第
11
期
接
方
3/6
最
应力
生
齿轮
装
背面和半轴壳体的连接处
，
应力值为
1.74
MPa
，
远小
于许用安全应力
，
结构安全
。
D
:
Static
Structural
Equivalent
Stress
Type
：
Equivalent
von-Mises
)
Stress
Unit
Pa
Time:1
1.7415e6Max
1.5486e6
1.3557e6
1.1629e6
9.6995e5
7.7706e5
5.8416e5
3.9126e5
1.9837e5
5471.4Min
0.000
0.010m
0.050
图
12
差速器有限元应力分析图
了款差速器的重量
，
在
UG
维软件
上
款差速器进行了
量分析
（
图
13
）
，
在
维软
件上
款差速器
为
40cr
，
原
款差速器
的
重量
，
得
了
结果
，
第
款差速器重
量为
2
202
g
,
体
为
281
mm
,
第二款改进后的重量
为
1
473
g
,
体积为
18
8.1
mm
。
图
13
前差速器前后质量对比图
67
Equipment
Manufacturing
Technology
No.11
,
2020
部件设计思路具有一定的参考作用
5
Z11
新前差速分析与结果比对
参考文献
：
针对拓扑优化后得到的新前差速器模型进行有
限元分析
,
其设置初始条件
,
如材料
、
单元
、
网格
、
约
束与载荷都与原始前差速器模型分析时相同
，
因此
[1]
对
ANSYS
有限元分析方法的模态分析的研究
[J]
.企业导
,
2013(11)
：
290.
[2]
[3]
[4]
,
,
.
有限元方法的汽车驱动桥壳分析
得到总变形
、
等效应力
、
面积分析结果如表
2
。
表
2
新旧前差速差结果数据对比图
类型数据
[J].CAD/CAM
与制造业信息化
,
2015(4
)
：
45-48.
,
.FSAE
,
力
的现状与发展综述
[J].
用
，
2018(9
)
：
92-94.
体积
/mm
281
总变形量/mm
0.0000009
0.0000004
等效应力
/MPa
2.5
质量
/g
2202
,
.四速自动变速器行星齿轮机构的研
原模型
新模型
[J].
农业装备与车辆工程
,
2018
,
56(4
)
：
30-35.
[5]
王亚军
，
王峰
，李约翰
.
有限元分析
1.7
1473
188
在结构计算中的比
由表
2
所知
，
利用拓扑优化设计的前差速器壳体
与原始前差速器壳体
，
在总变形
、
等效应力
、
质量和
较及望
[J].
优化
,
2003(4
)
：
50-52
,
54.
[6]
Polaris
Industries
Inc.;
Patent
Application
Titled
"Snow
Bike
And
A
Front
Suspension
For
A
Snow
Bike
"
Published
Online
面积的结果相比
,
不仅分布更为均匀
,
而且数值也大
幅降低
，
幅
总变形量
0.000
000
5
m
m
,
等
(USPTO
2
)
.
2018:3097.
[7]
刘涛,杨国平
，
曹
俊.基于
ADAMS
的高频破碎锤振动箱
效应力
0.8
MP
,
差速器新和
体积
92.9
mm
,
大
的约
前
的面积问
,
的部件有足够的空间进行维护与维
，
的力学仿真
[J].
矿山械
,
2015
,
43(1
)
：
72-76.
[8]
肖莹
，
赵军
.
高压对
40Cr
钢高温回火力学性能的影响
[J].
热
在前差速器壳体的质量上
729
g
原总质量
加工工艺
,
2020
,
49(16)
：
156-158.
[9]
G
Ashwin
Prabhu
,
Prabhu
G
Ashwin
,
Muninathan
K
,
et
al.
Static
Analysis
of
Aluminum
6063
Alloy
for
Steering
Knuckle
Application
in
Student
Formula
Car.
2020
,
923
1
)
012007.
的分
33%
。
因此
，
拓扑优化设计得到的新前
差速器
，
在
降低前差速器质量的同时
，
解
前差速器
体应力分布不均,
变形量大和体积大的
[10]
Jixiong
Li
,
Jianliang
Tan
,
Jianbin
Dong.
Lightweight
Design
of
Front
Suspension
Upright
of
Electric
Formula
Car
Based
on
Topology
Optimization
Method.
2020
,
11(1)
：
30-35.
问题
。
[11]
施胤成
，
闫怀德
，
宫鹏
，
等
.
Zernike
数优化模型的光
6
结论
为研究
Z11
力
前差速器的量化
，
有限元分析和拓扑优化结
，
拓扑优化设计
学反射镜支撑结拓扑优化设计
[J].
光子学
，
2020
,
49
6
)
209-220.
[12]
袁
冈
y,
陈晓峰
，
尹晓飞
.
模
分析的乘用车变速器壳
为
初始模型
-
拓扑优化
-
模型
-
有限元分
-
不足
体振
优化设计
J].
械工程与
化
,
2012(6
)
：
80-82.
[13]
沈伟
，
，
王
，
等
.
拓扑优化的变速箱壳体轻量化
设计
J]
.农机化研究
,
2018
,
40(4
)
：
234-241.
[14]
易军
，
，
王
，
等
.
收获
变速器箱体静力学分析与结
进
卩]
.
中
化学报
,
2016
,
37(6
)
：
18-22
,
38.
[15]
田增
，
郑德聪,郭玉明
，
等
.
柠条收割机变速箱壳体有限
析
-
足
到满足要求为
，
得到了新的差速器模型
，
在质量上
33%
的
量
，
在
足
的条件
到
前差速器的结
简便
，
维
，
量化设计
，
对
元分析
卩]
.农机化研究
,
2013
,
35(12
)
：
63-66
,
73.
Lightweight
Research
on
Front
Differential
of
Z1
1
Bach
Racing
Car
LIU
Zhan-zhao
,
LIANG
Tong-jian
,
HUANG
Xian-mou
,
FANG
Zheng*
(School
of
Mechanical
and
Marine
Engineering
,
Beibu
Gulf
University,
Qinzhou
Guangxi
530023
,
China
)
Abstract
：
In
order
to
study
the
lightweight
of
the
front
differential
of
Z1
1
racing
car
power
system
,
through
the
combination
of
finite
element
analysis
and
topology
optimization
,
the
topology
optimization
design
process
is
to
es
tablish
the
initial
model
topology
optimization
model
reconstruction
finite
element
analysis
meet
the
performance
requirements
not
meet
the
performance
requirements
to
meet
the
requirements
,
a
new
differential
model
is
ob
tained,
which
reduces
the
weight
by
33%
in
mass
and
meets
the
strength
requirements
.The
structure
of
the
front
differential
is
simple
and
the
maintenance
is
convenient.
The
lightweight
design
goal
is
realized.
It
has
a
certain
reference
function
for
the
design
idea
of
racing
parts.
Key
words
:
front
differential
;
lightweight
;
ANSYS
finite
element
analysis
;
topology
optimization
68