Hypermesh在變速箱殼體設計中的應用

賴燕斌，于堯，王濤 ，焦紅蓮

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

Hypermesh在變速箱殼體設計中的應用

賴燕斌，于堯，王濤 ，焦紅蓮

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章以一款手動變速箱殼體在實際開發中的設計為例，運用Altair公司的Hypermesh軟件對殼體建立有限元模型，對變速器殼體進行實際工況下的強度及模態求解。并根據分析結果對殼體實際結構做出了調整。表明該軟件利于變速箱殼體的動態特性分析和設計改進。

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雜載荷，殼體不同部位承受附加的彎曲和扭矩【1】。設計過程中要求殼體要有足夠的強度，同時軸承座需要有足夠的剛度。殼體結構復雜，尺寸大，作為變速器總成中比重較大的零部件，殼體結構設計的好壞關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，綜合考慮其殼體強度、模態和軸承剛度，運用Hypermesh軟件搭建有限元分析模型，并借助OptiStruct模塊，對其殼體進行結構優化設計，最終達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。運用Hypermesh網格劃分，對變速器殼體組成件中前后殼體分別進行網格化處理。運用 HyperMesh 提供的tetramesh網格劃分功能對殼體進行二階四面體單元劃分，單元尺寸為3mm。網格劃分后生成的單元數與節點數見表1。

表1 變速箱殼體的單元數與節點數

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。變速箱與發動機和車體之間的螺栓連接同樣采用CBAR進行模擬【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分析

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

圖2 變速箱一階模態振形圖

4、箱體靜力學分析

變速器在運行過程中，工作齒輪嚙合產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簡化計算，最危險工況為一檔轉速下【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力云圖。

5、計算結果及分析

5.1 變速器約束狀態下殼體應力值

基于 Hypermesh 有限元軟件對主要的變速器殼體進行靜強度分析，經計算得到變速器殼體的應力云圖，如圖3所示 。

圖3 變速箱應力云圖

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

5.2 變速器殼體變形量

從計算結果比較可以看出，變形較大部分主要集中在A區域。設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 區域應力值

圖4 殼體變形量分布圖

表5 殼體各部位位移量

6、殼體結構優化

根據上述殼體應力及變形云圖分析結果，對殼體進行相應優化改進。例如增加后殼體中間部位的環抱筋，加強筋延長至后軸承，抑制后軸承變形。增加后軸承外環形筋，同時抬高各連接筋的高度（包括殼體側面的筋）。同時加強筋向剛度較大的區域連接（安裝法蘭面等），部分螺栓區域可采用雙筋結構。

7、優化后的模型分析結果

圖5 優化后的殼體應力云圖

圖6 優化后的殼體變形量云圖

對優化后的殼體重新進行進行有限元建模，并對其殼體強度及軸承變形量進行數值仿真，分析結果表明，優化后的的模型進行自由模態計算得第一階模態為914Hz，殼體最大應力為88.4MPa≤100MPa，最大變形量為84.4μm≤120μ m，均滿足設計要求。應力、變形量云圖見圖5、圖6。

8、結論

通過Hypermesh建立了變速箱殼體的有限元模型，用Optistruct進行了模態分析，并在實際工況下對其進行應力及變形量分析，得到固有頻率與固有振型、應力分布變形量大小，反映變速箱殼體結構的動剛度特性，幫助工程師在后續設計中為變速箱殼體結構、強度、剛度的改進設計提供了理論依據。

[1] 陳家瑞.汽車構造(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、選擇、設計與應用.宋進桂,龔宗洋,等譯.北京：機械工業出版社,2014：319-361.

[3] 李涵武,山其泉.汽車變速器有限元靜態分析.黑龍江:林業機械與木工技術.2005.

[4] 劉惟信.汽車設計[M].北京：清華大學出版社,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股份有限公司。