基于Inspire的變速箱殼體尺寸優(yōu)化策略

王玉梅

（德州職業(yè)技術學院，山東德州 253034）

0 引言

變速箱殼體是變速箱的關鍵零件，它將變速箱的齒輪、軸、軸承及撥叉等零件組裝成一個整體，并保持相互之間的正確位置，按照一定的傳動關系傳遞動力。變速箱殼體體型較大，結構形狀復雜，技術要求比較高，而輕量化設計成為各個車企實現降低油耗的重要措施之一，通過降低汽車重量，提高汽車的燃油經濟性、節(jié)省能耗、減少污染。在不影響汽車的安全性、抗振性以及舒適性的前提下，利用拓撲優(yōu)化方法，對變速器變速箱殼體進行優(yōu)化再設計，既保證良好的使用性能，又實現變速器變速箱殼體輕量化設計。運用Altair Solidthink有限元軟件的Inspire對變速箱殼體進行前處理，并調用結構優(yōu)化模塊進行尺寸優(yōu)化分析，實現變速箱的輕量化設計,得到同時滿足多工況條件下動靜態(tài)性能提高的變速箱殼體結構，并提高材料的利用率。

1 優(yōu)化前模型的確認

變速箱殼體材料為鑄鋁，采用高壓鑄造工藝，其彈性模量 E=75 GPa，泊松比 滋=0.3，密度 籽=2.7伊103kg/m3，屈服強度160 MPa，抗拉極限 270 MPa。

在加載條件和校核中主要考慮軸變速箱殼體內的齒輪參數、相關軸狀態(tài)、剛度曲線等相關因素，在力平衡和力矩平衡的基礎上，根據發(fā)動機輸出扭矩計算出不同檔位變速齒輪箱殼體的各個軸承座上的受力情況

首先，通過Inspire軟件對變速器殼體優(yōu)化前的模型進行仿真分析。對變速箱殼體的質量、強度和剛度進行分析和驗證，保證優(yōu)化前后變速箱殼體性能不變，同時為優(yōu)化提供目標值和約束值。

通過仿真分析得到，變速箱殼體質量為14.8 kg,變速箱殼體的等效應力180 MPa，大于變速箱殼體材料的屈服強度，一階模態(tài) 680 Hz，約1000 Hz，故原模型在性能上不滿足設計要求。優(yōu)化原模型見圖1。

2 優(yōu)化模型的建立

2.1 可設計空間的提取

圖 1優(yōu)化原模型

首先提取變速器變速箱殼體的可設計空間，使變速箱殼體的模型在最大程度上充滿設計空間，并確保變速箱殼體與內外部零部件的靜態(tài)和動態(tài)連接關系，避免發(fā)生干涉影響到內外部零部件工作和安裝件，除了拓撲優(yōu)化外，使用該模型應滿足結構的制造工藝要求，為避免發(fā)生后期不能滿足制造加工的問題。對原模型進行可設計空間提取，給出優(yōu)化前使用的最大材料空間，見圖2。

2.2 優(yōu)化模型加載及優(yōu)化設置

優(yōu)化模型采用與齒輪箱優(yōu)化模型相同的模型對優(yōu)化模型進行加載，并在加載后完成變量、優(yōu)化響應、約束和目標值得建立。在優(yōu)化過程中，優(yōu)化模型根據加工制造工藝可行性問題的要求，將變速器殼優(yōu)化模型劃分為若干個子優(yōu)化空間，并進行變量設置，使優(yōu)化結果更便于加工制造。

將優(yōu)化區(qū)域中每個子區(qū)域分別設置為變量，根據不同部位的設計使用不同的拔模方向，循環(huán)對稱數等加工制造約束。

在優(yōu)化過程中，模型的響應將直接影響優(yōu)化結果是否合理，是否滿足設計要求。該優(yōu)化模型的響應選擇的是體積分數、靜態(tài)位移、靜態(tài)應力、頻率和靈活性。本次為靜動態(tài)相結合的結構拓撲優(yōu)化采用柔度響應為組合柔度指數，模型未優(yōu)化部分與優(yōu)化部分對比見圖3。

結構復雜的變速箱殼體，一般在2個方面進行優(yōu)化設計：淤通過一個簡單的制造工程約束參數設置，變速箱殼體表面的基本結構分析；于詳細的制造工藝約束參數的設置，得到變速箱殼體表面加強筋的布置結果。兩者結合，得到符合設計要求和性能良好而且美觀的變速箱殼體結構。通過仿真計算和模型的調整，最終得到優(yōu)化結果云圖（圖 4）。

通過對比可以看出，單一擋位重點部位材料的布局形式再多擋位結合在材料的布局上均有體現，為了獲得良好的 NVH（Noise，Vi原bration，Harshness，噪聲、振動與聲振粗糙度）性能，強度、剛度通常結合多擋位工況結合的優(yōu)化結果當作變速箱殼體整體的分布，但拓撲優(yōu)化結果通常只作為結構設計的方向，因為優(yōu)化結果比較粗糙，所以它只作為一個參考。

圖 2 減速器變速箱殼體拓撲優(yōu)化模型

圖3 模型未優(yōu)化部分與優(yōu)化部分

圖4 優(yōu)化結果云圖

3 優(yōu)化后變速箱殼體設計與驗證分析

3.1 優(yōu)化前后對比結果

基于優(yōu)化結果和變速箱殼體的設計原則，利用三維建模軟件建立變速器殼體的優(yōu)化模型（圖5）。

3.2 優(yōu)化結果分析驗證

對變速器殼體進行再設計后，對優(yōu)化后的模型進行分析和驗證。從剛度、強度和質量3個方面進行驗證，并與原方案進行比較，見表1。

圖5 變速器殼體優(yōu)化模型

表1 分析驗證結果

分析結果表明，變速箱優(yōu)化后質量比優(yōu)化前模型輕1.85 kg，對應的等效應力模型等價于115 MPa，原殼變速箱壓力達170 MPa，一階模態(tài)1035 Hz，滿足目標設計要求，因此該優(yōu)化不僅提高了原變速箱殼體的性能，還實現了輕量化設計。

4 結論

（1）通過Inspire軟件完成了變速箱殼體強量化要求，減重1.85 kg，實現減重目標。

（2）通過拓撲優(yōu)化設計提高材料的利用率，減少冗余復雜結構，降低材料成本；同時保證了變速箱殼體工藝制造的最佳工藝性，提高模具使用壽命，降低模具成本。

（3）在變速箱殼體設計初期，充分考慮變速箱殼體結構的剛度、強度、模態(tài)等，避免重復修改等大量工作，有助于提高設計人員的工作效率，縮短變速箱殼體開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。