謝偉

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變速箱殼體振動(dòng)特性分析與優(yōu)化

謝偉

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330030）

為了驗(yàn)證某變速箱殼體的振動(dòng)特性是否符合設(shè)計(jì)要求，采用Hypermesh軟件建立變速箱有限元模型，約束懸置支架對其進(jìn)行模態(tài)分析，分析結(jié)果表明其前三階固有頻率均高于發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率，滿足模態(tài)特性要求。在發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦處加載缸壓對其進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，分析結(jié)果表明其最大應(yīng)力水平大于其材料屈服強(qiáng)度，不滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。通過增大螺栓孔處的倒角優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，優(yōu)化之后其應(yīng)力低于其材料屈服，符合振動(dòng)特性要求，并且順利通過了路試驗(yàn)證。

變速箱；模態(tài)；頻率響應(yīng)；強(qiáng)度；優(yōu)化

1 引言

變速箱是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的重要部件，其對車輛的平順性和舒適性具有較大影響。變速箱殼體主要用于安裝其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，承受來自路面激勵(lì)的低頻振動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)的高頻振動(dòng)，若變速箱殼體的振動(dòng)性能不滿足設(shè)計(jì)要求，容易發(fā)生開裂失效問題，影響其使用壽命，帶來安全隱患，影響車輛的部分性能。

張琪等[1]采用ANSYS Workbench軟件建立某變速箱殼體有限元模型，對其進(jìn)行模態(tài)分析，并且基于錘擊法對其進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，得到其動(dòng)態(tài)特性，為解決變速箱殼體開裂提供了理論依據(jù)。徐臻臻等[2]為了解決某變速箱殼體的斷裂現(xiàn)象，采用Hypermesh和Nastran軟件對其典型工況進(jìn)行靜力分析，得到其應(yīng)力水平和分布，并且提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，能夠滿足使用要求。馮翠云[3]針對某變速箱殼體失效問題，采用ABA -QUS軟件對其有限元建模和仿真分析，同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力水平明顯下降，滿足設(shè)計(jì)要求。為了驗(yàn)證某變速箱殼體的振動(dòng)特性是否能夠符合要求，采用Hypermesh軟件建立變速箱有限元模型，對其進(jìn)行模態(tài)分析和頻率響應(yīng)分析，得到其應(yīng)力集中位置和危險(xiǎn)點(diǎn)，并且對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2 頻率響應(yīng)分析基礎(chǔ)理論

頻率響應(yīng)分析是指系統(tǒng)在周期振蕩激勵(lì)下對每個(gè)頻率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，對于受簡諧振動(dòng)的多自由度系統(tǒng)方程為[4]：

其中：[]為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣，[]為系統(tǒng)的阻尼矩陣，[]為系統(tǒng)的剛度矩陣，{}為各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)向量，為激勵(lì)，激勵(lì)頻率。

3 變速箱有限元模型

動(dòng)力總成系統(tǒng)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱分動(dòng)器和傳動(dòng)軸等，為了提高分析精確度，將其動(dòng)力總成系統(tǒng)的三維數(shù)模導(dǎo)入至Hypermesh[5]軟件中，對各個(gè)部件的表面進(jìn)行幾何清理和簡化處理，基于尺寸為3mm的三角形單元對各個(gè)部件的表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并生成四面體單元，其中的螺栓采用剛性單元模擬，以此建立其變速箱殼體有限元模型，如圖1所示。其單元總數(shù)為3141879，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為5683424。變速箱殼體的材料為ADC12，其彈性模量為72400MPa，其泊松比為0.33，其密度為2700kg/m3，其屈服強(qiáng)度為140MPa，其抗拉強(qiáng)度為240MPa。

圖1 變速箱有限元模型

4 模態(tài)分析

為了獲取變速箱的動(dòng)態(tài)特性，約束發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架、變速箱懸置支架、分動(dòng)器支架和傳動(dòng)軸支架的所有自由度，基于Nastran軟件[6]對其進(jìn)行模態(tài)分析，得到變速箱的前三階固有頻率分別為60.8Hz、87.8Hz和110.7Hz，均高于發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率，符合其動(dòng)態(tài)特性要求。其模態(tài)陣型分別為一階扭轉(zhuǎn)、一階彎曲和二階扭轉(zhuǎn)，如圖2所示為變速箱的一階彎曲模態(tài)陣型。

圖2 變速箱一階彎曲模態(tài)陣型

5 頻率響應(yīng)分析

為了獲取變速箱的振動(dòng)強(qiáng)度性能，基于其有限元模型，施加與模態(tài)分析同樣的約束條件，并且在發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦處加載缸壓，分析頻率范圍設(shè)為0~200Hz，阻尼系數(shù)設(shè)為0.05以此對其進(jìn)行頻率響應(yīng)分析。如圖3所示為變速箱殼體頻率-應(yīng)力曲線，由圖3可知，當(dāng)頻率為87.8Hz時(shí)，變速箱殼體的應(yīng)力水平達(dá)到峰值。如圖4所示，為變速箱殼體應(yīng)力分布云圖，由圖4可知，變速箱殼體的最大應(yīng)力值為188.3MPa，高于其材料屈服應(yīng)力，不能夠滿足振動(dòng)強(qiáng)度特性要求。其應(yīng)力集中點(diǎn)位于變速箱殼體的安裝孔，容易產(chǎn)生斷裂風(fēng)險(xiǎn)，因此需對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖3 變速箱殼體頻率-應(yīng)力曲線

圖4 變速箱殼體應(yīng)力分布云圖

6 優(yōu)化分析

為了有效降低變速箱殼體的應(yīng)力水平，將其螺栓孔處的倒角加大，如圖5所示。

采用同樣的方法對其進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，如圖6所示，為變速箱殼體優(yōu)化之后的應(yīng)力分布云圖，由圖6可知，變速箱殼體優(yōu)化之后的應(yīng)力峰值為135.7MPa，小于其材料屈服應(yīng)力，符合其振動(dòng)特性要求。并且，與優(yōu)化之前相比，其應(yīng)力水平減少27.9%，改善效果比較顯著，其強(qiáng)度得到了大幅度提升，能夠避免發(fā)生開裂故障。并且優(yōu)化方案成功通過了路試耐久驗(yàn)證，能夠滿足客戶使用要求。

圖5 變速箱殼體優(yōu)化方案

圖6 變速箱殼體優(yōu)化之后的應(yīng)力云圖

7 結(jié)論

基于Hypermesh軟件建立變速箱有限元模型，對其進(jìn)行模態(tài)分析，得到其前三階固有頻率分別為60.8Hz、87.8Hz和110.7Hz，滿足其動(dòng)態(tài)特性要求。通過對其進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，其最大應(yīng)力為188.3MPa，超過材料屈服，不滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，通過增大螺栓孔的倒角，對其進(jìn)行優(yōu)化分析，優(yōu)化之后其應(yīng)力峰值下降至135.7MPa，符合振動(dòng)特性要求，并且通過了路試耐久測試，滿足客戶使用要求。

[1] 張琪,杜文華,馬維金,等.輕卡變速箱殼體有限元及試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2014(7):149-151.

[2] 徐臻臻,趙玉壘.某拖拉機(jī)變速箱殼體斷裂強(qiáng)度有限元分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械,2013(28):145-147.

[3] 馮翠云.旋耕機(jī)變速箱體強(qiáng)度有限元分析及優(yōu)化[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2013,35(11):138-139.

[4] 陳忠偉,盧寧,楊建偉.城市軌道列車齒輪箱模態(tài)及振動(dòng)響應(yīng)分析[J].機(jī)械傳動(dòng),2016,40(12):111-116.

[5] 張恩來,侯亮,蔡惠坤.基于Hypermesh的液壓破碎錘工作裝置模態(tài)分析[J].中國工程機(jī)械學(xué)報(bào),2015,13(5):422-428.

[6] 尹輝俊,劉赟,汪洋,等.某金屬燃油箱的模態(tài)分析及其隔板結(jié)構(gòu)的改進(jìn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2017,34(11):94-97.

Vibration Frequency Analysis and Optimization of Transmission Housing

Xie Wei

( Jiangling Motors Corporation Limited, Jiangxi Nanchang 330030 )

Aiming at verifying whether the vibration performance of a new transmission housing meet the design require -ments, the transmission housing was modal analyzed based on its finite element model and constrained mounting bracket by adopting Hypermesh software, the analysised result showed that its first three natural frequencies were higher than the engine excitation frequency, it could meet modal characteristic requirements. The transmission housing was frequency response analyzed, the analysised result showed that its maximum stress exceed the material yield strength, it couldn’t meet strength design requirements. It was optimizated by increasing the chamfer of the bolt hole, its maximum stress was lower than material yield strength after optimization, so it could meet vibration characteristics, and it successfully passed the road test certification.

transmission housing; vibration; frequency response analysis; strength; optimization

TH16

A

1671-7988(2019)09-174-03

TH16

A

1671-7988(2019)09-174-03

謝偉，(1980.10-），男，碩士，中級工程師，就職于江鈴汽車股份有限公司采購中心，主要研究方向?yàn)槠噭?dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.056