變速箱殼體設計探析

郜培麗

摘 要：變速箱殼體零件是變速箱中的非常重要的一個部件，變速箱殼體與其他部件，例如齒輪、軸承、軸頂等等零件，從而組成一個整體。在功能相互作用之下，每一個零件都有自己正確的位置，而且根據一定的傳動關系對協調傳遞動力進行傳遞。變速箱殼體的體型比較大，而且結構比較復雜。本文對汽車變速箱殼體流程進行分析，并且結合拓撲理論對變速箱殼體結構優化設計進行了深入分析，旨在提高產品的質量。

關鍵詞：變速箱殼體；設計；工藝

1 變速箱殼體設計流程

變速箱殼體在設計初期需要確認汽車的邊界，其中包括了與殼體匹配的發動機邊界，外部整車環境的情況以及內部零部件的結構布置等等。通常要將對布置結構進行明確之后才會進一步開展變速箱殼體的初步設計，初步設計主要是概念上的規劃。概念設計的過程中，則需要考慮到拓撲優化程度，還要對強度進行分析。充分考慮到這些因素之后，可有深入分析變速箱殼體設計的相關工藝，也就是生產成品的工藝技術，包括了裝配、加工與制造等等幾個重要環節。

根據相關分析的結果，并將相關模型進行對比與分析，然后按照模型根據快速成型的模式開始制作加工殼體，同時還要對相關的試驗進行對應的驗證。對驗證數據進行分析之后，能夠獲得下一步模型的數據，最終才能夠真正設計出符合要求的變速箱殼體成品。

2 變速箱殼體結構拓撲優化設計分析

拓撲優化的主要理論是針對定點設計區域內，全面尋求能夠承受的荷載或者多載荷結構的最佳材料分配。目前常用的拓撲優化方法有：均勻化方法、變密度方法、變厚度方法。如果是連續體結構的拓撲優化問題，主要涉及到靜態柔度拓撲優化與結構動力學特征值優化的問題。

2.1 拓撲優化模型的建立

結構拓撲優化實際開展的過程中，必須要從實體單元或者殼單元的實際數據基礎上，進一步建設拓撲優化分析模型的初步階段。然后針對指定的拓撲優化模型中的設計，同時還需要考慮到非設計中控制機構里面的優化與不優化的區分。

例如：變速箱殼體、懸置的支架等等部門一般我們稱之為費設計區域，而動力總成所涉及得到設計空間的包絡而為其優化設計的領域。整個拓撲優化相關的計算需要很多的時間和精力，而且為了達到實際的需求，在優化的過程中還需要改變想相關的參數，甚至還要對控制參量進行優化，因此，整個優化過程耗時的時間特別長。

為了提高計算的效率，保障計算的質量，就需要對拓撲優化模型的單元數目進行控制，通過的做法是采用一階單元可以合理的控制的拓撲優化的時間?；谶@些因素，本文所分析的變速箱殼體采用的是一階四二而體單元來建立拓撲優化初始模型，首先變速箱殼體內壁模擬的方式是殼單元模型，也就是我們常說的非設計區域，而其他部分就是需要進行優化的領域，針對要優化的設計域就可以利用拓撲優化將優化區域之外的材料全部優化清除，所說剩下的部分就是拓撲優化的最終結果。以此為原則，可以設計拓撲優化的初始模型，建立變速箱殼體拓撲優化模型，同時需要考慮到優化區域必須要滿足汽車的最大動力，這也是變速箱殼體設計的基本目標。變速箱殼體中的有限元模型一般采用的是一階實體四而提單元和殼單元來進行劃分的，最后一共可以得到341934個實體單元和9377個殼單元，拓撲優化的模型（見圖1）。

2.2 載荷、約束條件以及設計目標

在變速箱殼體中融入拓撲優化理論，拓撲優化在計算的過程中能夠充分考慮到汽車檔位下所能承受的一切載荷力，還需要重視動力總產量所產生載荷。一般采用方法是手工計算，根據齒輪承受力，然就分析材料所能夠承受的載荷力，進而建立變速箱齒軸的詳細模型。通過對模型的分析，能夠對每一個檔位情況下的齒軸承座的荷載進行計算與分析。在具體的設計的過程中沒害需要考慮到變速箱總成在重力方向上的所有載荷，利用設立Gload值能夠對垂直載荷的加載進行分析與計算，一般Gload值是需要通過路普采集與分析之后才可以進一步確定。汽車變速箱與汽車發動機的剛性相互連接，故坐標系與整車坐標系是一致的，也就是各個螺栓聯接點xyz向的移動以及xz向的旋轉。

靜態優化設計的最終目標是為了讓變速箱的殼體的剛度達到最大化，例如：變速箱殼體總量約束為17kg，占整個設計空間的15%，在拔模方向要與傳動軸線相互平行，才能增加拔模方向的約束力。變速箱殼體內壁為優化區域，從殼體內壁將殼單元提取出來。基于需要約束的前提，因此要采用拓撲優化的方式最大限度的提高殼體的剛度，通過計算能夠明確收斂的公差值為0.005。

動態優化設計的約束條件必須要考慮到靜態拓撲優化的約束條件，另外，還需要對一階模態的最小值進行約束，需要注意的是最小值必須大于600Hz。達到以上約束條件之后，動態拓撲優化的目標是可以讓變速箱殼體的第一階固有自然振動頻率值，有效避開汽車發動機固又的頻率，在400hz-600hz的情況下能夠最大的限度的實現提升。

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