賴燕斌，于堯，王濤 ，焦紅蓮

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

Hypermesh在變速箱殼體設(shè)計中的應(yīng)用

賴燕斌，于堯，王濤 ，焦紅蓮

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章以一款手動變速箱殼體在實(shí)際開發(fā)中的設(shè)計為例，運(yùn)用Altair公司的Hypermesh軟件對殼體建立有限元模型，對變速器殼體進(jìn)行實(shí)際工況下的強(qiáng)度及模態(tài)求解。并根據(jù)分析結(jié)果對殼體實(shí)際結(jié)構(gòu)做出了調(diào)整。表明該軟件利于變速箱殼體的動態(tài)特性分析和設(shè)計改進(jìn)。

變速箱；殼體；Hypermesh

CLC NO.: U462.3 Document Code: B Article ID: 1671-7988 (2017)10-31-03

1、概述

變速箱殼體作為變速箱各零部件承載支撐件，在變速器工作時承受復(fù)雜載荷，殼體不同部位承受附加的彎曲和扭矩【1】。設(shè)計過程中要求殼體要有足夠的強(qiáng)度，同時軸承座需要有足夠的剛度。殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸大，作為變速器總成中比重較大的零部件，殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞關(guān)系到變速器整體性能和成本【2】。

本文以某手動變速箱殼體作為研究對象，綜合考慮其殼體強(qiáng)度、模態(tài)和軸承剛度，運(yùn)用Hypermesh軟件搭建有限元分析模型，并借助OptiStruct模塊，對其殼體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，最終達(dá)到提升變速箱殼體整體性能的目的。

2、有限元分析模型建立

2.1 網(wǎng)格劃分

變速箱殼體主要分為前端離合器殼體和后端后殼體組成。運(yùn)用Hypermesh網(wǎng)格劃分，對變速器殼體組成件中前后殼體分別進(jìn)行網(wǎng)格化處理。運(yùn)用 HyperMesh 提供的tetramesh網(wǎng)格劃分功能對殼體進(jìn)行二階四面體單元劃分，單元尺寸為3mm。網(wǎng)格劃分后生成的單元數(shù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)見表1。

表1 變速箱殼體的單元數(shù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)

變速箱前后殼體是通過螺栓連接的，在Hypermesh采用CBAR模擬螺栓連接。變速箱與發(fā)動機(jī)和車體之間的螺栓連接同樣采用CBAR進(jìn)行模擬【3】。整體有限元模型如圖1示。

圖1 變速箱有限元分析模型及坐標(biāo)系

2.2 材料與屬性

變速箱箱體的材料為鋁合金，模型為均勻各向同性材料，其參數(shù)詳見表2所示。

表2 變速箱殼體材料屬性

3、變速箱箱體自由模態(tài)分析

在無任何約束和載荷的情況下，對變速箱箱體進(jìn)行模態(tài)分析，求解得第一階自由模態(tài)為895Hz，振形表現(xiàn)為后殼體局部輪廓的伸縮變形振動，滿足設(shè)計要求，其振形圖如圖2。

圖2 變速箱一階模態(tài)振形圖

4、箱體靜力學(xué)分析

變速器在運(yùn)行過程中，工作齒輪嚙合產(chǎn)生的作用力通過軸承作用在變速器殼體軸承孔上，箱體各軸承接觸處受力大小經(jīng)簡化計算，最危險工況為一檔轉(zhuǎn)速下【4】，如表3所示。

表3 一檔工況加載值

用OptiStruct計算得到一檔工況下的位移和應(yīng)力云圖。

5、計算結(jié)果及分析

5.1 變速器約束狀態(tài)下殼體應(yīng)力值

基于 Hypermesh 有限元軟件對主要的變速器殼體進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，經(jīng)計算得到變速器殼體的應(yīng)力云圖，如圖3所示 。

圖3 變速箱應(yīng)力云圖

從應(yīng)力云圖中看以看出上述殼體的最大應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力340MPa，且應(yīng)力較大部分主要集中在A區(qū)域，該區(qū)域以拉應(yīng)力為主。設(shè)計過程中考慮到殼體最大拉應(yīng)力≤材料的屈服強(qiáng)度/1.5（建議小于100MPa）。

5.2 變速器殼體變形量

從計算結(jié)果比較可以看出，變形較大部分主要集中在A區(qū)域。設(shè)計要求輸入軸和中間軸的軸承孔變形量≤120～150 μm ：差速器軸承孔變形量≤180～210μm。

表4 區(qū)域應(yīng)力值

圖4 殼體變形量分布圖

表5 殼體各部位位移量

6、殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)上述殼體應(yīng)力及變形云圖分析結(jié)果，對殼體進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化改進(jìn)。例如增加后殼體中間部位的環(huán)抱筋，加強(qiáng)筋延長至后軸承，抑制后軸承變形。增加后軸承外環(huán)形筋，同時抬高各連接筋的高度（包括殼體側(cè)面的筋）。同時加強(qiáng)筋向剛度較大的區(qū)域連接（安裝法蘭面等），部分螺栓區(qū)域可采用雙筋結(jié)構(gòu)。

7、優(yōu)化后的模型分析結(jié)果

圖5 優(yōu)化后的殼體應(yīng)力云圖

圖6 優(yōu)化后的殼體變形量云圖

對優(yōu)化后的殼體重新進(jìn)行進(jìn)行有限元建模，并對其殼體強(qiáng)度及軸承變形量進(jìn)行數(shù)值仿真，分析結(jié)果表明，優(yōu)化后的的模型進(jìn)行自由模態(tài)計算得第一階模態(tài)為914Hz，殼體最大應(yīng)力為88.4MPa≤100MPa，最大變形量為84.4μm≤120μ m，均滿足設(shè)計要求。應(yīng)力、變形量云圖見圖5、圖6。

8、結(jié)論

通過Hypermesh建立了變速箱殼體的有限元模型，用Optistruct進(jìn)行了模態(tài)分析，并在實(shí)際工況下對其進(jìn)行應(yīng)力及變形量分析，得到固有頻率與固有振型、應(yīng)力分布變形量大小，反映變速箱殼體結(jié)構(gòu)的動剛度特性，幫助工程師在后續(xù)設(shè)計中為變速箱殼體結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、剛度的改進(jìn)設(shè)計提供了理論依據(jù)。

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造(第3版下冊)[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2] Harald Naunheimer等著，汽車變速器理論基礎(chǔ)、選擇、設(shè)計與應(yīng)用.宋進(jìn)桂,龔宗洋,等譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2014：319-361.

[3] 李涵武,山其泉.汽車變速器有限元靜態(tài)分析.黑龍江:林業(yè)機(jī)械與木工技術(shù).2005.

[4] 劉惟信.汽車設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社,2001.

Hypermesh Application in Transmission Casing Design

Lai Yanbin, Yu Yao, Wang Tao, Jiao Honglian
( Anhui jianghuai automobile Co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

This paper take a manual transmission casing’s design in the actual development as an example. Establish gearbox finite element model by the simulation software of HyperMesh which belongs to Altair. The strength under the actual operating condition and the natural modal was calculated.Based on the result, we adjust the actual structure of the transmission casing, which facilitates dynamic characteristics analysis and design improvements.

Transmission; Casing; Hypermesh

U462.3

B

1671-7988 (2017)10-31-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.012

賴燕斌，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。