某車(chē)型變速箱橫梁開(kāi)裂分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

李立波，洪健，顧海南，李盈盈

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某車(chē)型變速箱橫梁開(kāi)裂分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

李立波，洪健，顧海南，李盈盈

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

針對(duì)某車(chē)型變速箱橫梁在試驗(yàn)中開(kāi)裂失效的現(xiàn)象，應(yīng)用有限元方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架進(jìn)行20工況分析；根據(jù)分析結(jié)果，部分工況下橫梁支架應(yīng)力超出限值；針對(duì)橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行兩輪優(yōu)化設(shè)計(jì)；結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)和道路可靠性試驗(yàn)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

變速箱橫梁；應(yīng)力分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-13-03

前言

動(dòng)力總成是汽車(chē)的主要激振源之一，動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)主要功能是支撐動(dòng)力總成，對(duì)動(dòng)力總成進(jìn)行限位，同時(shí)衰減動(dòng)力總成的振動(dòng)；汽車(chē)懸置系統(tǒng)零部件的性能和可靠性設(shè)計(jì)直接影響懸置系統(tǒng)的隔振率及系統(tǒng)可靠性；懸置連接支架及橫梁是動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)中關(guān)鍵零部件之一，起到支撐動(dòng)力總成、連接減震部件、傳遞震動(dòng)載荷的功能。由于車(chē)輛運(yùn)動(dòng)工況及路況的復(fù)雜性，對(duì)于目前懸置系統(tǒng)支架的可靠性開(kāi)發(fā)，主要通過(guò)臺(tái)架及強(qiáng)化道路的可靠性驗(yàn)證進(jìn)行設(shè)計(jì)確認(rèn)。

作為動(dòng)力總成縱置布置車(chē)型，前懸置系統(tǒng)承載動(dòng)力總成大部分載荷，一般在80%以上，變速箱懸置及橫梁承載較小，在匹配分析的過(guò)程中對(duì)于后懸置的關(guān)注不高；針對(duì)縱置車(chē)型后懸置橫梁在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂失效，開(kāi)展分析優(yōu)化工作，為了確定懸置支架的開(kāi)裂原因，提升效率，采用CAE模擬分析計(jì)算，并開(kāi)展優(yōu)化分析，提出兩種優(yōu)化方案，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行評(píng)估；本文針對(duì)以上分析及試驗(yàn)完成變速箱橫梁失效的原因分析及優(yōu)化，解決變速箱橫梁開(kāi)裂問(wèn)題，為懸置系統(tǒng)開(kāi)發(fā)積累經(jīng)驗(yàn)。

1、懸置系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)及變速箱橫梁失效模式

該縱置車(chē)型懸置系統(tǒng)采用經(jīng)典的三點(diǎn)橡膠懸置布置形式，前懸置采用左右對(duì)稱(chēng)V字形布置結(jié)構(gòu)，懸置軟墊布置角度48°；后懸置采用單點(diǎn)V字形結(jié)構(gòu)布置，通過(guò)一個(gè)橫梁固定在左右車(chē)架上。由于考慮懸置系統(tǒng)通用性，變速箱橫梁前部設(shè)計(jì)一個(gè)支架，裝配動(dòng)力總成后懸置軟墊，支架下部設(shè)計(jì)有兩塊加強(qiáng)板。見(jiàn)圖1。

圖1 動(dòng)力總成懸置布置形式及變速箱橫梁結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，變速箱橫梁出現(xiàn)開(kāi)裂失效，失效位置在橫梁焊接支架的兩塊加強(qiáng)板邊緣，出現(xiàn)超出10cm的裂紋。根據(jù)初步判斷，開(kāi)裂處支架強(qiáng)度不足，導(dǎo)致開(kāi)裂失效；針對(duì)該失效模式組織進(jìn)行分析。

圖2 變速箱橫梁失效模式及位置

2、變速箱橫梁載荷數(shù)據(jù)提取

為分析變速箱橫梁的受力情況，進(jìn)行動(dòng)力總成質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量、懸置坐標(biāo)、非線性剛度曲線采集以及20工況的載荷提取。

表1 動(dòng)力總成坐標(biāo)系下的慣性參數(shù)及車(chē)身坐標(biāo)系下的質(zhì)心位置

采集前后懸置軟墊三向剛度曲線，見(jiàn)下圖：

圖3 前懸置軟墊三向剛度曲線

圖4 后懸置軟墊三向剛度曲線

根據(jù)動(dòng)力總成質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量、懸置點(diǎn)坐標(biāo)、非線性剛度曲線數(shù)據(jù)，完成變速箱橫梁20工況(懸置被動(dòng)端)載荷提取，提取數(shù)據(jù)如表2。

在提取變速箱橫梁(懸置被動(dòng)端)20工況載荷的基礎(chǔ)上，進(jìn)行CAE分析，確認(rèn)設(shè)計(jì)狀態(tài)懸置支架的強(qiáng)度是否滿(mǎn)足可靠性要求。根據(jù)懸置支架（被動(dòng)端）數(shù)模建立有限元分析模型；沖壓件采用SHELL單元離散，縫焊采用RBE2單元模擬。分析中使用的模型如圖5所示。分析中使用ANSA、NASTRAN和HYPERVIEW等軟件。

表2

圖5 變速箱橫梁分析模型

圖6 變速箱橫梁受力云圖

根據(jù)CAE分析，在20工況下，變速箱橫梁有8個(gè)工況均存在應(yīng)力過(guò)大的風(fēng)險(xiǎn)，在7g后工況下，橫梁支架應(yīng)力達(dá)到1037.8Mpa，遠(yuǎn)大于目標(biāo)320Mpa，根據(jù)分析結(jié)果，應(yīng)力集中的部位與試驗(yàn)故障部位一致，分布在焊接加強(qiáng)板附件焊縫附近。具體分析結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 變速箱橫梁支架應(yīng)力及安全系數(shù)

3、變速箱橫梁優(yōu)化

根據(jù)CAE分析及試驗(yàn)失效故障模式，變速箱橫梁安裝變速箱軟墊的支架有8個(gè)工況應(yīng)力超標(biāo)，存在設(shè)計(jì)缺陷；主要應(yīng)力集中在橫梁支架加強(qiáng)板焊接部位；針對(duì)此部位，對(duì)加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

優(yōu)化方案一：把兩塊加強(qiáng)板做成整體結(jié)構(gòu)，同時(shí)加大加強(qiáng)板的Y向?qū)挾龋穸?3.5mm)和材料不變。

優(yōu)化方案二：采用雙加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)板增加X(jué)向折彎結(jié)構(gòu)，厚度(3.5mm)和材料不變。

圖7 優(yōu)化方案一

圖8 優(yōu)化方案二

分別對(duì)兩個(gè)優(yōu)化方案進(jìn)行有限元分析模型建立，開(kāi)展CAE分析計(jì)算，重點(diǎn)對(duì)8個(gè)超標(biāo)工況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下。

表7 變速箱橫梁8個(gè)工況支架應(yīng)力

根據(jù)CAE分析計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化方案一應(yīng)力有明顯下降，但是只有1個(gè)工況達(dá)到要求，最大應(yīng)力909.1Mpa，遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)要求，無(wú)法滿(mǎn)足；優(yōu)化方案二應(yīng)力大幅下降，在原方案基礎(chǔ)上應(yīng)力平均下降62%；在7g后工況下，應(yīng)力256.2 Mpa，超出320 Mpa指標(biāo)要求；考慮7g后工況過(guò)極端工況，讓步接收結(jié)果。

對(duì)于變速箱橫梁優(yōu)化方案二，組織進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)及道路試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)驗(yàn)證，沒(méi)有發(fā)生開(kāi)裂失效，整改有效。

圖9 各狀態(tài)應(yīng)力對(duì)比曲線

4、結(jié)論

通過(guò)以上有限元CAE理論分析，變速箱橫梁開(kāi)裂失效的主要原因是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)失效模式產(chǎn)生的原因，優(yōu)化變速箱橫梁加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)，整改后的變速箱橫梁應(yīng)力平均下降62%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；經(jīng)過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)及道路試驗(yàn)驗(yàn)證，有效的解決了橫梁失效故障。

[1] 孫靖民,梁迎春.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009．

[2] 龐劍,諶剛,何華.汽車(chē)噪聲與振動(dòng)一理論與應(yīng)用.北京：北京理工大學(xué)出版社,2006．

[3] 潘孝勇,柴國(guó)鐘,劉飛,等．懸置支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)與疲勞壽命分析[J].汽車(chē)工程,2007,29(4)：341-345．

[4] 趙艷青,劉本元,上官文斌.汽車(chē)動(dòng)力總成懸置支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)科技,2007,5(3)：23-25.

Analysis and Optimization design on gear-box mounting beam of automobile

Li Libo, Hong Jian, Gu Hainan, Li Yingying
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Aiming at the failure of gear-box mount beam of an automobile. According to CAE analysis of structure design about twenty work condition, the stress is beyond the accepted standard under certain condition. Two optimization design are completed, by analyzing and calculating ,the optimized design meets the standard. The reliability test results showed that the optimized gear-box mounting beam was accorded to design.

gear-box mounting beam; stress analysis; Optimization design

U463.8

A

1671-7988 (2017)05-13-03

李立波（1978-），工程師，就職于安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.005