張兆奎，宋文福，王悅，李曉宇，王君

（哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

CAE在自動變速器殼體上的應用

張兆奎，宋文福，王悅，李曉宇，王君

（哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

文章自動變速器殼體不但承受來自內(nèi)部軸承、制動器的作用力，而且受到對接發(fā)動機和懸置的螺栓軸力，因此對變速器的承載能力一定的要求。本文采用有限元法建立分析模型，對自動變速器各個檔位工況進行負荷加載，考察其強度和變形情況，為殼體初始設計提供一定的依據(jù)。

自動變速器；有限元分析；ABAQUS

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.030

Application of CAE on case of AT

CLC NO.: U463.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988（2016）11-82-03

引言

眾所周知，變速器是用于轉變發(fā)動機曲軸的轉矩及轉速，來適應汽車在停止、起步、加速、行駛、倒車等不同需要。隨著國內(nèi)變速器的市場份額分化，自動變速器占有量不斷加大，在4AT的基礎上，延伸出6AT，甚至8AT及以上的的變速器，不但改善了換擋的平順性，對燃油經(jīng)濟性也得到大大的提供。相比MT自動變速器結構更復雜，體積要大，其殼體結構的要求就高，在滿足傳統(tǒng)功能要求下，需要進一步優(yōu)化空間尺寸，減少自身重量，增加結構強度等。在殼體設計方面，只有外觀適應性強，結構布置合理，強度耐久性能好，工藝性好，才能在日后細分市場中具有競爭力。

1、分析概況

變速器殼體所承受的力主要有：

1)自身重力，包括內(nèi)部的齒輪油和傳動、控制機構等；

2)各檔位下通過軸承和制動器反作用在殼體的力；

3)車輛運行工況下通過懸置作用在殼體上的力；

4)螺栓連接裝配載荷。

本文考察內(nèi)部載荷對變速器殼體的作用，傳統(tǒng)的MT，變速器殼體受力僅在軸承外圈對殼體的作用力。而AT還包括在離合器及油壓的對殼體作用力，一般在情況，殼體在某一檔位所受到的力是固定的，可以通過軟件ROMAX計算得到，施加到變速器殼體上。在通過有限元軟件ABAQUS計算出變速器殼體變形和應力分布，最后判斷該變速器殼體是否滿足設計要求。

1.1 分析模型

分析模型包括變速器殼體、變矩器殼體、后端蓋、油泵、中間支撐、閥體殼，如圖1。

圖1　CAD裝配模型

零件之間實際上是通過螺栓聯(lián)接，可采用摩擦接觸和tie接觸，對螺栓施加預緊力來保證兩個零件的鏈接，如圖2。

圖2　螺栓連接示意圖

賦予各個零部件的材料屬性，變速器、變矩器殼體、后端蓋、閥體殼為鋁合金材料，中間支撐為鋼，油泵為鑄鐵。其材料參數(shù)如下：

表1　材料特性

1.2邊界條件與分析載荷

圖3　邊界約束

變速器通過螺栓連接到發(fā)動機的端面全約束，即三個方向上的位移為零。變速器殼體與車架通過懸置進行連接，賦予連接點處定值剛度K，如圖3。本文僅計算來自變速器傳遞扭矩時軸承、離合器、高壓油的內(nèi)部負載，不考慮軸的變形和軸承剛度的影響。因此，可以用變速器設計軟件ROMAX搭建系統(tǒng)模型，計算出某一檔位作用在軸承孔的軸向、切向、徑向作用力，并通過耦合連接到作用方向對應孔的半圓柱上，離合器采用施加扭矩實現(xiàn)，油壓在油路內(nèi)表面施加面壓實現(xiàn)。

2、分析計算

在軟件ABAQUS中針對變速器殼體分析設置三個分析步：在初始分析步施加邊界條件和定義接觸連接；在第一個分析步加載螺栓力，并保證接觸有效建立；第二個分析步保持螺栓固定長度；第三個分析步施加軸承、離合器、油壓等一檔工況下的作用力。

在提交計算之前，要對模型網(wǎng)格數(shù)量進行控制，一般情況下，在ABAQUS中變速器殼類零件采用C3D10M網(wǎng)格類型，網(wǎng)格節(jié)點和單元數(shù)量會很大，應根據(jù)計算機的內(nèi)存和CPU核數(shù)適當控制。

確定各參數(shù)設定完成后，即可進入ABAQUS的求解器進行計算。

3、分析結果

3.1變、離殼應力結果

通過計算可得變速器變殼綜合應力分布結果如圖4所示，其局部應力超過屈服強度180MPa，其位置在變殼外部輸出軸軸承孔外緣加強筋處，可增大加強筋相交處的弧度來改善該處的結構強度。

變速器離殼綜合應力分布結果如圖5所示，其局部應力略大于屈服強度，修改斜筋底部的弧度，即可得到結構強度的改善。

圖4　變殼應力分布

圖5　離殼應力分布

3.2其它件應力結果

油泵殼體和后端蓋應力分布如圖6，其應力值均低于屈服強度值，且大部分區(qū)域應力值低于100MPa，應力儲備空間較大。

圖6　油泵殼與后端蓋應力分布

中間支撐件的應力分布如圖7，其應力值遠小于屈服強度550MPa。

圖7　中間支撐應力分布

3.3變形結果

變殼最大變形量為0.5mm，所處位置在輸出軸軸承孔內(nèi)側，如圖8。

圖8　變殼的變形結果

離殼最大變形量0.27mm，發(fā)生在中間軸軸承內(nèi)側，如圖9。

圖9　離殼的變形結果

4、結論

1）模擬結果中除了變殼和離殼局部結構應力值超過屈服，其它均滿足要求；

2）在超過屈服處適當改善后，變速器可以滿足工程要求，并且在高強度處還存在可優(yōu)化空間。

[1]石亦平.周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業(yè)出版社,2006.

[2]徐向陽.劉艷芳,姬芬竹,王書翰.自動變速器技術[M].北京：人民交通出版社,2011.

Zhang Zhaokui, Song Wenfu, Wang Yue, Li Xiaoyu, Wang Jun
（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

The case of the automatic transmission is not only bearing the force from the internal bearing and brake, but also the bolt axial force, which is affected by the engine and suspension. So the case must need demand of work load.In this paper, the finite element method is used to establish the analysis model, and the load of each gear of the automatic transmission is carried out, and the strength and deformation of the gearbox are investigated.

AT; FEA; ABAQUS

U463.7 文獻表示碼：A

1671-7988（2016）11-82-03

張兆奎（1978-），男，工程師，學歷碩士。就職于哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司。研究方向發(fā)動機、自動變速器結構CAE分析方面。