某車型雙離合自動變速器連接板優化設計

何放 黃德健 楊曉彤

【摘 要】某車型雙離合自動變速器連接板與飛輪的裝配空間狹小，為了縮短裝配時間并實現輕量化設計，文章運用Ansys軟件的Workbench優化模塊，首先對離合器連接板的結構進行力學分析，然后對連接板進行了結構優化設計。經過優化設計后的樣件通過了臺架試驗和整車實驗。在滿足連接板性能的條件下，減少了裝配時間并實現了零件的輕量化設計。

【關鍵詞】雙離合自動變速器；連接板；Ansys；優化

【中圖分類號】U463.212 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）05-0054-04

0 引言

變速器是汽車動力總成中的重要部件，對汽車的動力性、經濟性、舒適性都起著關鍵的作用，其性能已成為人們在購車時的重要參考指標。隨著汽車技術的不斷發展及顧客的要求越來越高，變速器的技術也在不斷地發展和進步，雙離合自動變速器對汽車的燃油經濟性、整車動力性和換擋平順性都有較大的提高，因此在國內外都迅速普及開來，并得到消費者的青睞。

雙離合自動變速器連接板（簡稱連接板）是匹配雙離合自動變速器車型傳動系中的重要一環，某車型的連接板通過6顆螺栓將變速器的雙離合器與發動機飛輪連接起來，并將發動機扭矩傳遞給變速器，再傳遞到連接的驅動軸及車輪實現車輛行駛。連接板外形和數模剖視圖如圖1所示。

在項目開發初期的整車試裝過程中，裝配人員發現連接板與飛輪之間的裝配空間狹小，需要通過發動機缸體上的“窗口孔”進行安裝，如圖2所示，在如此狹小的空間內裝配6顆螺栓的時間過長，不能滿足生產節拍要求。

為了方便裝配人員裝配，減少裝配時間，滿足生產節拍要求，且減輕零件重量，節約單件成本，本文應用Ansys軟件對連接板結構進行分析，并根據分析結果對連接板進行優化設計。

Ansys軟件的分析流程如圖3所示。

1 導入3D數模&建立有限元模型

利用UG軟件建立該連接板系統的3D數模，為了使分析結果更接近真實情況，需考慮與連接板相關聯的零部件，因此該連接板系統包含連接板、飛輪、焊接螺母和連接螺栓（如圖4所示）。再將建立的3D數模導入Ansys軟件中，根據條件建立連接板的有限元模型（如圖5所示）。

2 連接板有限元分析

2.1 材料特性

在做連接板的靜力強度分析時，還需要考核相應的連接螺栓強度，選用螺栓規格為六角法蘭面螺栓M8×1×12，此連接板系統中各個零件的材料特性見表1。

2.2 施加載荷

在連接板與雙離合器輸入端的花鍵連接部位施加固定約束，同時在連接螺栓上施加螺栓預緊力，螺栓預緊力取14 000 N；在飛輪與曲軸連接處施加發動機的最大扭矩，即220 N·m，該狀態為連接板系統受力的極限工況，用于分析連接板與連接螺栓的應力情況。

2.3 分析結果

經過Ansys分析處理后，提取連接板與連接螺栓的應力情況（如圖6、圖7所示）。

由圖6可知，在臨界狀態下，連接板最大應力在與飛輪螺紋的連接處和與雙離合器花鍵的連接處，為15.46 MPa，安全系數取2.0，結果為30.92 MPa，遠小于連接板材料的許用應力745 MPa，屬于過設計，可以考慮對連接板的結構進行優化，達到減重和降成本的目的。

由圖7可知，在臨界狀態下，連接螺栓最大應力為536.13 MPa，安全系數取1.2，結果為643.36 MPa，遠小于連接螺栓材料的許用應力1 000 MPa，屬于過設計，可以考慮對連接螺栓的數量和排布進行優化，達到減少裝配時間、減重和降成本的目的。

2.4 優化設計分案及模型

針對以上分析結果，采用如下方案對連接板系統進行優化設計：連接板最大應力在與飛輪螺紋的連接處和與雙離合器花鍵的連接處，而它們之間的區域受力比較小，對連接板強度與剛度貢獻小，考慮對稱及應力集中等因素，在此區域采用沖孔減重設計，并將6顆螺栓連接的結構改為勻布的3顆螺栓結構。

優化設計后的3D數模和有限元模型分別如圖8、圖9所示。

2.5 優化設計后的分析結果

采用與優化設計前相同的材料特性及施加載荷情況，分析計算連接板與連接螺栓的應力情況，分析結果如圖10、圖11所示。

把優化前后連接板和連接螺栓的質量和最大應力的變化匯總成表2，從表2可以看出：優化后連接板的質量下降了0.19 kg，最大應力雖然增加到24.97 MPa，但小于連接板材料的最大許用應力745 MPa，符合設計要求；優化后的連接螺栓質量下降了0.039 kg，最大應力雖然增加到764.65 MPa，即使考慮1.2的安全系數，最大應力為917.58 MPa，仍小于連接螺栓的最大許用應力1 000 MPa，符合設計要求。

3 優化設計后的驗證

連接板作為汽車傳動系統的關鍵零部件，必須通過臺架試驗、實車裝配、整車試驗去驗證優化設計的可靠性。

對優化后的樣件進行靜扭臺架試驗，實驗方法如下：把連接板固定在臺架上，從0 N·m開始逐步加載至規定扭矩為止，記錄扭矩和轉角，之后卸載扭矩至0 N·m，記錄此時扭矩和殘余角。實驗結果見表3，連接板未見損壞，試驗通過。

對優化后的樣件進行交變載荷臺架試驗，試驗工況見表4，實驗結果如圖12所示，連接板在3種工況下均無裂紋和損壞，試驗通過。

按照優化后的結構制作樣件進行實車裝配，裝配人員反饋比優化前更容易裝配且節省裝配時間，能夠滿足生產節拍要求。

最后進行整車道路試驗，試驗完成后拆解變速器，發現連接板無破損，試驗通過。

綜上可知，優化后的連接板能夠滿足設計要求。

4 結論

汽車由上千個零部件組成，這些零部件之間的連接結構非常重要，在設計時不僅需要考慮滿足其功能性要求，還需考慮裝配的可行性與便利性，以及考慮減重設計來達到最優的設計方案。

本文通過運用Ansys軟件對連接板的結構進行優化設計，能夠快速指導連接板的結構優化設計，可以減少或避免多次臺架試驗，從而縮短開發周期及減少開發費用。

優化設計后的連接板在滿足性能的前提下，不僅更容易實現變速器與發動機的裝配，減少了裝配時間，還節省了3個螺栓的成本，以及減輕了連接板的重量和節省了連接板的成本，使產品更具市場競爭力。

這充分體現了Ansys軟件優化技術的優越性，此技術可以使開發人員在開發零部件過程中不斷進行優化，既可以縮短產品的開發周期，又可以降低生產成本。

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[責任編輯：鐘聲賢]