基于 Abaqus 的油封堵头拧紧力矩选择分析方法*论文

SCI论文（www.lunwensci.com）

　　摘要：以某款新能源减速器壳体油封堵头的设计开发为例， 为了在设计开发阶段， 得到堵头准确可靠的拧紧力矩， 结合在螺纹拧 紧方面的研究成果， 同时提炼项目实施过程中的成果， 借助有限元分析的辅助手段来确定堵头的拧紧力矩 。分别以防漏 、强度、 防松 3 个方面的性能指标为依据， 共同确定堵头拧紧力矩 。 系统介绍了堵头在 3 种情况下有限元建模方法， 针对各性能要求说明了 模型简化的方式 。首先， 按照实际装配关系和密封要求， 完成相应载荷施加和边界条件的定义， 利用 Abaqus 软件对模型进行了计 算求解， 得到了满足防漏下的轴向力; 其次， 依据 VDI 的螺栓强度标准， 确定了满足强度的轴向力， 得到了既满足防漏功能又满 足强度要求的拧紧力矩 。最后， 通过堵头和壳体结合面的防松性能验证前文确定的堵头拧紧力矩是否合理， 整个分析流程分别考 虑了功能和强度要求， 可为后续类似项目的方案设计提供指导。

　　Abstract: The design and development of the shell oil seal plug of a new energy reducer is taken as an example . In order to obtain the accurate and reliable tightening torque of the plug in the design and development stage, combined with the previous research results in screw tightening and refining the results in the implementation of the project, the auxiliary means of finite element analysis is used to determine the tightening torque of the plug. The tightening torque of the plug is determined based on the performance indexes of leakage prevention , strength and anti- loosening respectively. The finite element modeling method of plug in three cases is introduced systematically , and the model simplification method is explained according to the performance requirements. Firstly, according to the actual assembly relationship and sealing requirements, the corresponding load and boundary conditions are defined. The model is calculated and solved by using Abaqus software, and the axial force satisfying the leakage prevention was obtained . Secondly, according to the bolt strength standard of VDI, the axial force satisfying the strength is determined, and the tightening torque satisfying both the leak-proof function and the strength requirements is obtained. Finally, the anti-loosening performance of the plug and the joint surface of the shell verifies whether the plug tightening torque determined above is reasonable. The function and strength requirements are respectively considered in the whole analysis process , which can provide guidance for the subsequent design of similar projects.

　　Key words: oil seal plug; leakage-proof performances; anti-loosening performances; strength

　　0 引言

　　减速器是新能源汽车上重要的传动机构， 不同路况 条件下， 会受到多种随机冲击和振动载荷[1]， 强度和密 封性能的好坏是表征减速器总体性能好坏的重要指标 。 在外部多变的载荷影响下， 减速器上油封堵头的设计好 坏， 会对减速器总成整体润滑 、强度 、密封等产生很大 的影响， 过紧可能使强度变低， 过松可能会漏油[2]， 因 此， 油封堵头拧紧力矩合理的设计会提高减速器总成的 品质 。全球能源日益紧张的大背景下， 寻求新能源是必 然趋势， 国内外工程学者对新能源汽车投入了大量的研 究， 其中就涉及了对堵头拧紧力矩的研究， 在此之前设计人员在开发壳体配套的油封堵头及确定堵头拧紧力矩 的时候， 都是基于简单的理论公式的推算或者直接依靠 主观经验， 通常情况下， 初步设计的方案总会存在诸多不 合理之处， 往往需要经过多轮次的修改， 整个设计过程具 有一定的盲目性和随机性。同时， 设计好了之后， 按照传 统的方法， 对于总成性能的评估， 一般都是参考样件在台 架或道路上的测试表现， 这样循坏往复地改进优化， 传统 方法时间冗长， 耗时费力， 经济成本高。本文结合在实际 项目中积累的经验， 提出了基于 Abaqus 从保证防漏 、强 度 、防松 3 个方面的条件对油封堵头拧紧力矩的设计提 供一个规范的流程方法， 具有一定的实用价值。

　　1 油封堵头防漏功能和强度的 FEA 分析

　　1.1 防漏功能分析

　　针对防漏功能的研究系统主要由 3 个部分组成， 分 别为上端的堵头 、中间的油封圈 、以及下端的壳体 。其 中， 油封圈为环形橡胶圈结构， 堵头和壳体分别为碳钢 和铝合金， 油封圈的刚度远小于堵头和壳体的刚度， 所 以建模时油封圈采用超弹性单元模拟， 堵头和壳体则可 以以解析刚体来模拟[3] 。防漏分析要求对油封圈进行计 算， 得到油封圈消耗的预紧力 (轴向力)， 对整个研究模 型进行切分得到 2D 平面模型， 由于整个模型是关于 y 轴 的对称结构， 其受力和变形也都是沿轴线呈对称分布的， 因此可以选取一端作为等价简化模型进行分析， 分析结 果可以通过扫略来实现对完整模型的查看 。对 2D 模型进 行网格划分， 油封圈网格类型为 CAX4RH 的超弹性单 元， 大小为 0.01 mm 。堵头和壳体分别以解析刚体 groove 和 HSG 模拟， 建立的有限元模型如图 1 所示 。图中， 堵 头 、密封圈 、壳体之间的连接关系主要是接触， 接触切 向行为选择罚函数的摩擦接触， 接触法向行为定义为线 性软接触， 接触刚度选择默认[4] 。groove 与 S4 接触面建 立接触对， HSG 与 S3 接触面建立接触对， 由密封圈 、堵 头 、壳体间之间的材料类型， 定义切向摩擦因数为 0.5. 根据接触中大 、硬 、粗糙 、凹的面应为主面的定义原则， 所以接触对 groove 与 S4 中选择 groove 为主面， 接触对 HSG 与 S3 中选择 HSG 为主面 。位移边界条件分别为约束 解析刚体 groove- 126 方向自由度， 约束解析刚体 HSG- 123456 方向自由度。

　　根据有限元分析中单元定义的通用规则， 解析刚体 无特定的材料属性， 分析模型中堵头和壳体以解析刚体 模拟简化， 所以无需设置材料参数， 橡胶密封圈的材料 本构参数如表 1 所示。


　　载荷边界条件采用强制位移载荷， 设置解析刚体 groove 向 y 轴负方向移动 1.3 mm， 使密封圈 、螺栓堵头、 壳体处于装配完成状态， 场变量输出中增加接触面之间的轴向力输出， 完成设置后， 对以上防漏模型按加载条 件进行分析计算， 由 Abaqus 求解出密封圈所消耗的预紧 力， 得出其应力变形云图和轴向力结果数据分别如图 2 和图 3 所示 。基于密封圈高度 ( 2.0±0.1 ) mm， 沟槽深度 ( 1.6±0.05 ) mm， 在密封圈最大压缩量， 且满足与堵头、 壳体密封要求下， 完成分析得到分析结果， 由图 2 可以 看出， 密封圈已经与堵头 、壳体完全贴合， 以上条件下 堵头密封圈组合能够满足系统的密封功能 。 由图 3 中轴 向力结果数据图可得到密封圈在密封过程中所消耗的预 紧力 (轴向力) 为 2.333 kN 。因此， 可以得出在任意工 况下， 只要保证螺栓堵头轴向内力大于 2.333 kN 的情况 下， 密封圈 、堵头 、和壳体之间能够保持密切接触状态， 即可满足密封防漏功能。

　　1.2 强度分析

　　在 1. 1 节的防漏功能分析中， 橡胶密封圈作为分析的 主体， 建模中堵头和壳体以解析刚体简化等效 。本节的 强度验证中， 堵头和壳体则作为分析的主体因素， 通过 对研究对象的分析， 此类研究问题属于轴对称类型， 为 了减少模型的大小， 降低计算时间， 可以采用在 xy 平面 内建立颈缩螺栓连接 2D 模型来代替复杂的 3D 模型， 2D 模型的结果可以真实的反应 3D 模型 。整体的思路是先按 尺寸要求画出含螺纹的 2D 数模， 第二步借助 Hypermesh 对 2D 数模划分网格， 设置材料参数， 定义边界约束 、载 荷， 得到可供 Abaqus 求解器分析的有限元模型。

　　接触螺纹段按照如下方法得到， 相关螺纹生成参数 如图 4 所示。

　　( 1 ) 根据机械工程手册， 得到普通螺纹基本尺寸 P、 D 、D1. 根据参数确定螺纹 x 、y 坐标， 只需确定一个 P 的螺纹即可， 其余的螺纹可以复制粘贴， 螺纹起始点由 实际螺纹形状确定， 如无实际螺纹， 则由图示小红点为 起始点， 由螺栓螺纹段底部开始， 作为 y的原点， 建立 螺纹节点坐标， 将节点连成 line， 再根据公差值对 line 进 行 offset， 切割精度不高时， 在 Hypermesh 中修改 geome‐ try tolerance=0.001.

　　( 2 ) 强度验证分析要求对堵头和壳体的装配强度进 行计算， 得到过盈接触的堵头和壳体在高低温循坏温度载荷下的应力结果[5] 。整个模型是关于 y 轴的对称结构， 所以选取一端作为等价简化模型， 模型空间选择轴对称 可变形平面空间， 对 2D 数模进行网格划分， 网格类型为 三角形和四边形混合的平面轴对称单元， 网格尺寸大小 控制为 0.05 mm， 建立简化的有限元模型如图 5 所示。

　　螺栓堵头和壳体的材料本构参数如表 2 所示。

　　约束螺栓底部中心点 y 轴方向自由度， 堵头与壳体 分别建立接触对 1 、2. 螺纹段 (接触对 2) 设置过盈， 摩擦因数取 0. 16. 如图 5 所示 。整个分析模型施加高低 温循坏的温度载荷 。根据 VDI2230 标准， 堵头为 M42×5.6. 屈强比 0.6 允许加大使用系数， 螺栓可拧紧至抗拉 强度的 70% ( 500 MPa×70%=350 MPa) [6-8]， 由此极限强 度可逆向折算出接触对 2 的过盈量为 0.055. 作为输入条 件计算得到堵头的轴向力， 验证轴向力是否能满足防漏 的轴向力要求， 提交分析计算， 得到堵头和壳体的应力 云图及堵头和螺牙上的轴向力数据， 分别如图 6~7 所示。

　　正常装配， 满足拧紧强度需求条件下， 堵头和壳体 最大应力为 341.9 MPa (<350 MPa)， 且油堵几乎不发生 塑 性 变 形， 计 算 求 得 螺 栓 堵 头 轴 向 力 为 18.684 kN> 5.09 kN， 由满足强度需求出发得到的轴向力， 能够满足 防漏要求。

　　根据 VDI标准， 油封和堵头拧紧力矩和预紧力之间 的关系可由如式 ( 1) 得到， 螺牙消耗的扭矩如式 ( 2) 所示[9-11]：

　　式 中： T12 为 油 封 和 堵 头 的 扭 矩; T3 为 螺 牙 的 扭 矩， Nm; K 为汽车常用的拧紧扭矩系数， 一般根据材料选 取; R 为油封和堵头的公称半径; D 为螺牙的公称直径， mm; F 为预紧力， N[12-14]。

　　因此， 在满足防漏和强度性能要求的基础上， 油封、 堵头 、螺牙分别需要消耗的轴向力 (预紧力) 及拧紧扭 矩系数， 公称半径如表 3 所示， 代入式 ( 1) 和式 ( 2) 可以求得各部件对应的扭矩。

　　综合以上分析可知， 得到堵头的拧紧力矩合计为 119.9 N ·m， 此扭矩设计能满足实际装配关系下的防漏功 能及强度要求。

　　3 防松性能验证

　　前文的防漏功能分析， 橡胶密封圈作为分析的主体， 建模中堵头和壳体以解析刚体简化等效了， 强度分析中 则将堵头和壳体作为分析的主体因素， 本节的分析是在 前文基础上对减速器总成在耐久试验工况下的防松性能 验证， 验证油封堵头用前文确定的 119.9 N ·m扭矩拧紧， 在轴承载荷作用下的滑移情况， 因此需将带油封堵头、 壳体 、轴承外圈 、垫片作为一个整体去分析， 所有部件 均采用 2 阶四面体 C3D10单元， 单元大小控制在 1~5 mm 间， 建立的有限元分析模型如图 8所示。

　　壳体 、轴承外圈 、垫片 、堵头的材料本构参数如表 4所示。

　　分析工况为普通齿制正转正驱-扭矩 512.1 N ·m， 工 况下的轴承载荷从传动设计分析软件 Masta 中提取， 如表 5所示 。位移边界条件将电机端面螺栓内表面和悬置 位置螺栓内表面全约束， 连接关系中将堵头与后壳体、 垫片与壳体 、轴承外圈与壳体之间的接触面建立摩擦接 触对[15]， 前后壳体结合面 、堵塞螺杆螺纹段与壳体螺栓 孔 、垫片与轴承外圈绑定[9] 。设置堵头 ( M42) 扭矩为 119.6 N ·m， 验证在此拧紧力矩条件下， 在表中的载荷边 界条件下， 堵头是否能满足工程上防止出现松脱现象的 性能要求。

　　由 Masta 软件中提取各轴承凝聚点的坐标， 分别建 立对应的凝聚节点， 凝聚节点与轴承座内圈节点完成刚 性耦合， 其中径向载荷以空间余弦加载方式施加在受力 面， 其它载荷加载在轴承中心凝聚点上， 完成所有材料 属 性 、位 移 及 载 荷 边 界 条 件 、输 出 的 定 义 后， 提 交 Abaqus 分析计算， 得到堵头和壳体结合面的滑移量云图 如图 9 所示。

　　由于实际产品中所采用密封胶的延伸率为 600%， 可 得滑移量极限为 0.01 mm， 根据 VDI2230 标准钢对铝 (无 润滑) 时的最小摩擦因数为 0.07 。从滑移量分布云图和 接触面法向力和切向力比值曲线 (图 10 ) 可以得到， 堵 头与壳体最大滑移量为 0.003 15 mm<0.01 mm， 切向力与 法向力之比 CFS/CFN (接触面摩擦因数) 为 0.011 523 7< 0.07 。综合以上分析得出， 即在满足防漏功能和强度要 求得到的拧紧力矩前提下， 整个油封堵头与壳体结合面 也能满足防松方面的设计要求。

　　4 结束语

　　综上所述， 本文在某新能源减速器壳体油封堵头设 计开发的基础上， 系统的从防漏 、强度 、防松 3 个方面 对螺栓堵头拧紧力矩的选择方法做了细致深入的研究， 总结得到了一套分析方法 。按此分析方法， 由理论上得 到的拧紧力矩既满足了零部件的功能要求， 又保证了强 度安全， 相对于以前的设计手段， 本文研究的分析思路极具创新性， 同时用平面局部有限元模型代替整个模型 的方法在节省建模时间和计算时长上也起到了重要作用， 探索研究得到的该分析方法提升了工程应用能力， 拓展 丰富了体系建设， 可为后续同类项目的设计实现工业化 提供指导参考， 具有重要的现实意义， 值得推广。

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