變速箱殼體振動特性分析與優化

謝偉

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變速箱殼體振動特性分析與優化

謝偉

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330030）

為了驗證某變速箱殼體的振動特性是否符合設計要求，采用Hypermesh軟件建立變速箱有限元模型，約束懸置支架對其進行模態分析，分析結果表明其前三階固有頻率均高于發動機激勵頻率，滿足模態特性要求。在發動機軸瓦處加載缸壓對其進行頻率響應分析，分析結果表明其最大應力水平大于其材料屈服強度，不滿足強度設計要求。通過增大螺栓孔處的倒角優化其結構，優化之后其應力低于其材料屈服，符合振動特性要求，并且順利通過了路試驗證。

變速箱；模態；頻率響應；強度；優化

1 引言

變速箱是汽車傳動系統的重要部件，其對車輛的平順性和舒適性具有較大影響。變速箱殼體主要用于安裝其傳動機構，承受來自路面激勵的低頻振動和發動機激勵的高頻振動，若變速箱殼體的振動性能不滿足設計要求，容易發生開裂失效問題，影響其使用壽命，帶來安全隱患，影響車輛的部分性能。

張琪等[1]采用ANSYS Workbench軟件建立某變速箱殼體有限元模型，對其進行模態分析，并且基于錘擊法對其進行模態試驗，得到其動態特性，為解決變速箱殼體開裂提供了理論依據。徐臻臻等[2]為了解決某變速箱殼體的斷裂現象，采用Hypermesh和Nastran軟件對其典型工況進行靜力分析，得到其應力水平和分布，并且提出結構改進方案，能夠滿足使用要求。馮翠云[3]針對某變速箱殼體失效問題，采用ABA -QUS軟件對其有限元建模和仿真分析，同時結合實驗優化其結構，其應力水平明顯下降，滿足設計要求。為了驗證某變速箱殼體的振動特性是否能夠符合要求，采用Hypermesh軟件建立變速箱有限元模型，對其進行模態分析和頻率響應分析，得到其應力集中位置和危險點，并且對其進行結構優化。

2 頻率響應分析基礎理論

頻率響應分析是指系統在周期振蕩激勵下對每個頻率的動態響應，對于受簡諧振動的多自由度系統方程為[4]：

其中：[]為系統的質量矩陣，[]為系統的阻尼矩陣，[]為系統的剛度矩陣，{}為各個節點的位移響應向量，為激勵，激勵頻率。

3 變速箱有限元模型

動力總成系統主要包括發動機、變速箱分動器和傳動軸等，為了提高分析精確度，將其動力總成系統的三維數模導入至Hypermesh[5]軟件中，對各個部件的表面進行幾何清理和簡化處理，基于尺寸為3mm的三角形單元對各個部件的表面進行網格劃分，并生成四面體單元，其中的螺栓采用剛性單元模擬，以此建立其變速箱殼體有限元模型，如圖1所示。其單元總數為3141879，節點總數為5683424。變速箱殼體的材料為ADC12，其彈性模量為72400MPa，其泊松比為0.33，其密度為2700kg/m3，其屈服強度為140MPa，其抗拉強度為240MPa。

圖1 變速箱有限元模型

4 模態分析

為了獲取變速箱的動態特性，約束發動機懸置支架、變速箱懸置支架、分動器支架和傳動軸支架的所有自由度，基于Nastran軟件[6]對其進行模態分析，得到變速箱的前三階固有頻率分別為60.8Hz、87.8Hz和110.7Hz，均高于發動機激勵頻率，符合其動態特性要求。其模態陣型分別為一階扭轉、一階彎曲和二階扭轉，如圖2所示為變速箱的一階彎曲模態陣型。

圖2 變速箱一階彎曲模態陣型

5 頻率響應分析

為了獲取變速箱的振動強度性能，基于其有限元模型，施加與模態分析同樣的約束條件，并且在發動機軸瓦處加載缸壓，分析頻率范圍設為0~200Hz，阻尼系數設為0.05以此對其進行頻率響應分析。如圖3所示為變速箱殼體頻率-應力曲線，由圖3可知，當頻率為87.8Hz時，變速箱殼體的應力水平達到峰值。如圖4所示，為變速箱殼體應力分布云圖，由圖4可知，變速箱殼體的最大應力值為188.3MPa，高于其材料屈服應力，不能夠滿足振動強度特性要求。其應力集中點位于變速箱殼體的安裝孔，容易產生斷裂風險，因此需對其結構進行優化設計。

圖3 變速箱殼體頻率-應力曲線

圖4 變速箱殼體應力分布云圖

6 優化分析

為了有效降低變速箱殼體的應力水平，將其螺栓孔處的倒角加大，如圖5所示。

采用同樣的方法對其進行頻率響應分析，如圖6所示，為變速箱殼體優化之后的應力分布云圖，由圖6可知，變速箱殼體優化之后的應力峰值為135.7MPa，小于其材料屈服應力，符合其振動特性要求。并且，與優化之前相比，其應力水平減少27.9%，改善效果比較顯著，其強度得到了大幅度提升，能夠避免發生開裂故障。并且優化方案成功通過了路試耐久驗證，能夠滿足客戶使用要求。

圖5 變速箱殼體優化方案

圖6 變速箱殼體優化之后的應力云圖

7 結論

基于Hypermesh軟件建立變速箱有限元模型，對其進行模態分析，得到其前三階固有頻率分別為60.8Hz、87.8Hz和110.7Hz，滿足其動態特性要求。通過對其進行頻率響應分析，其最大應力為188.3MPa，超過材料屈服，不滿足強度設計要求，通過增大螺栓孔的倒角，對其進行優化分析，優化之后其應力峰值下降至135.7MPa，符合振動特性要求，并且通過了路試耐久測試，滿足客戶使用要求。

[1] 張琪,杜文華,馬維金,等.輕卡變速箱殼體有限元及試驗模態分析[J].機械設計與制造,2014(7):149-151.

[2] 徐臻臻,趙玉壘.某拖拉機變速箱殼體斷裂強度有限元分析[J].農業機械,2013(28):145-147.

[3] 馮翠云.旋耕機變速箱體強度有限元分析及優化[J].制造業自動化,2013,35(11):138-139.

[4] 陳忠偉,盧寧,楊建偉.城市軌道列車齒輪箱模態及振動響應分析[J].機械傳動,2016,40(12):111-116.

[5] 張恩來,侯亮,蔡惠坤.基于Hypermesh的液壓破碎錘工作裝置模態分析[J].中國工程機械學報,2015,13(5):422-428.

[6] 尹輝俊,劉赟,汪洋,等.某金屬燃油箱的模態分析及其隔板結構的改進[J].機械設計,2017,34(11):94-97.

Vibration Frequency Analysis and Optimization of Transmission Housing

Xie Wei

( Jiangling Motors Corporation Limited, Jiangxi Nanchang 330030 )

Aiming at verifying whether the vibration performance of a new transmission housing meet the design require -ments, the transmission housing was modal analyzed based on its finite element model and constrained mounting bracket by adopting Hypermesh software, the analysised result showed that its first three natural frequencies were higher than the engine excitation frequency, it could meet modal characteristic requirements. The transmission housing was frequency response analyzed, the analysised result showed that its maximum stress exceed the material yield strength, it couldn’t meet strength design requirements. It was optimizated by increasing the chamfer of the bolt hole, its maximum stress was lower than material yield strength after optimization, so it could meet vibration characteristics, and it successfully passed the road test certification.

transmission housing; vibration; frequency response analysis; strength; optimization

TH16

A

1671-7988(2019)09-174-03

TH16

A

1671-7988(2019)09-174-03

謝偉，(1980.10-），男，碩士，中級工程師，就職于江鈴汽車股份有限公司采購中心，主要研究方向為汽車動力系統設計開發。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.056