HMCVT箱體輕量化措施

郭麗君　張曉剛

摘要：基于HMCVT的工作原理及主要特點(diǎn)，使用ANSYS工作臺(tái)對(duì)HMCVT進(jìn)行靜態(tài)分析，探討使HMCVT箱體輕量化的措施和方法，為減少能源消耗和改善輛的整體性能提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：HMCVT；輕量化；ANSYS；材料

中圖分類號(hào)：TH137 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2019）02-0052-02

傳動(dòng)系統(tǒng)是影響車輛性能、工作效率和能效的主要因素，好的傳動(dòng)系統(tǒng)可顯著改善車輛的整體性能。農(nóng)業(yè)機(jī)械、工作機(jī)械等能源需求龐大，工作環(huán)境復(fù)雜，必須適應(yīng)不斷變化的外部載荷，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的要求較高。無級(jí)變速液壓機(jī)械傳動(dòng)（HMCVT）結(jié)合純液壓傳動(dòng)和純機(jī)械傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，可提高車輛的整體性能和燃油效率，改善液壓機(jī)械的綜合性能。因此越來越多的車輛使用液壓機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，以減少能源消耗和改善操作環(huán)境。

1 HMCVT的原理及特點(diǎn)

1.1 原理和結(jié)構(gòu)組成

HMCVT是基于17世紀(jì)中葉提出的靜壓傳動(dòng)原理的新型變速箱，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分為液壓系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)2部分。液壓系統(tǒng)主要由泵和電機(jī)組成；機(jī)械系統(tǒng)主要由機(jī)械傳動(dòng)部分組成。發(fā)動(dòng)機(jī)輸送的動(dòng)力流被分成2個(gè)路徑：一條路徑由液壓系統(tǒng)傳輸，另一條路徑由機(jī)械系統(tǒng)傳輸。最后，通過總線機(jī)構(gòu)將動(dòng)力組合并輸送到后傳動(dòng)部件。

HMCVT結(jié)合高液壓動(dòng)力傳動(dòng)、無級(jí)變速和高機(jī)械效率的優(yōu)點(diǎn)，有效利用發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力。液壓機(jī)械傳動(dòng)采用分流和匯流機(jī)構(gòu)，因此可根據(jù)力分布和匯流的形狀對(duì)液壓機(jī)械傳動(dòng)進(jìn)行分類。在加工技術(shù)和成本方面，分流機(jī)構(gòu)大多是固定軸型，而匯流型主要是行星式。

1.2 性能特點(diǎn)

1.2.1 傳輸效率高 液壓機(jī)械無級(jí)變速系統(tǒng)結(jié)合機(jī)械傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，機(jī)械傳動(dòng)部件傳動(dòng)效率高，液壓傳動(dòng)部件傳動(dòng)能力高。機(jī)械式無級(jí)變速器傳動(dòng)功率大，傳動(dòng)效率高。與傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)相比，其傳動(dòng)功率加倍，效率約提高30%。

1.2.2 自動(dòng)無級(jí)變速 液壓和機(jī)械裝置的結(jié)合，允許基于無級(jí)機(jī)械速度的無級(jí)變速，使車輛更安靜。傳動(dòng)系統(tǒng)通過改變變量泵排量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速，提高工作效率，降低駕駛員的駕駛強(qiáng)度。

2 機(jī)械液壓無級(jí)變速箱輕量化

2.1 輕量化設(shè)計(jì)的重要性

隨著液壓機(jī)械無級(jí)變速器的逐步發(fā)展和應(yīng)用，輕量化結(jié)構(gòu)成為汽車工業(yè)發(fā)展趨勢。經(jīng)過長時(shí)間的開發(fā)，車輛的能源效率有所提高，但仍只有20%～30%。車輛采用一定的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)后，底盤質(zhì)量相對(duì)較低，不均勻性減弱。因此，在駕駛過程中車身更加穩(wěn)定，發(fā)生撞擊時(shí)產(chǎn)生的能量易被消除，有效提高車輛的安全性。

2.2 箱體優(yōu)化措施

2.2.1 控制柜優(yōu)化 假設(shè)整體結(jié)構(gòu)保持不變并且通過輕量化實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，優(yōu)化方法主要是減小壁厚并局部增加加強(qiáng)肋。即在加強(qiáng)肋下方使軸承孔和肋條上的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)內(nèi)表面。

2.2.2 布局優(yōu)化 為實(shí)現(xiàn)動(dòng)能傳輸，布局設(shè)計(jì)至關(guān)重要。扭矩相同但結(jié)構(gòu)不同的軸承齒輪箱，其組件的質(zhì)量變化可達(dá)25%以上。承載約300 Nm輸入扭矩的齒輪箱，在液壓機(jī)械無級(jí)變速箱總長度滿足空間要求的條件下，可使用雙軸布置獲得最小質(zhì)量。

2.2.3 材料優(yōu)化 粉末冶金和粉末冶金成型技術(shù)適用于復(fù)雜構(gòu)件的成型。隨著粉末冶金技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，越來越多的鋼件用粉末冶金材料來代替。除顯著降低加工成本外，粉末冶金成型還可減輕零件質(zhì)量11.5%左右。為實(shí)現(xiàn)輕松轉(zhuǎn)移，越來越多地使用鋁合金代替鋼。

鋁合金材料的密度為2.7 g/cm3，而碳鋼材料的密度為7.85 g/cm3，等體積的鋁鋼可使零件質(zhì)量減少到原來的1/3。考慮精度要求，非應(yīng)力部件可選用非金屬材料，例如尼龍。用其代替鋼，質(zhì)量僅為原鋼質(zhì)量的1/7。

2.2.4 扭矩限制技術(shù)優(yōu)化 對(duì)于車輛而言，輪胎與地面之間的摩擦力是牽引力的上限。如果超出范圍，輪胎會(huì)打滑并松開。工作過程中，從動(dòng)輪的軸載受到限制，且輪胎與地面之間的摩擦力通常小于發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)轉(zhuǎn)移到輪胎的牽引力。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)低檔扭矩通常不影響車輛的加速動(dòng)力學(xué)和俯仰。扭矩限制技術(shù)的應(yīng)用，可使車輛傳動(dòng)更緊湊，從而減輕變速箱的質(zhì)量。

3 應(yīng)用ANSYS Workbench改進(jìn)箱體

用有限元工作站進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)分析時(shí)，將控制柜的3D組件直接從Pro/E讀入ANSYS Workbench，ANSYS Workbench軟件自動(dòng)檢測所有接觸面。確定接觸區(qū)域、接觸類型、聯(lián)系方式等后，變速箱殼體觸點(diǎn)全部設(shè)置為粘合觸點(diǎn)。

后處理是ANSYS Workbench軟件中最重要的部分，可顯示計(jì)算結(jié)果。通過評(píng)估計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)學(xué)3D模型。ANSYS Workbench的通用后處理器提供強(qiáng)大的后處理功能，包括頻率列表、振動(dòng)動(dòng)畫、應(yīng)力變化、應(yīng)變量和橫截面視圖。

使用ANSYS工作臺(tái)對(duì)HMCVT虛擬裝配的模型結(jié)構(gòu)中的箱體進(jìn)行靜態(tài)分析，確定箱體的優(yōu)化方案，在完成改進(jìn)后進(jìn)行檢測，優(yōu)化前后HMCVT箱在各個(gè)方向上的最大變形量如圖1所示。

與結(jié)構(gòu)改進(jìn)前相比，變形量減小，位移變形總體上相對(duì)較小，并具有相當(dāng)大的安全裕度。分析表明，通過減小壁厚來實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，并通過增加軌道加固改善結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的改進(jìn)措施是有效的。

4 結(jié)論

傳動(dòng)系統(tǒng)決定車輛的性能、工作效率和能效，因此HMCVT輕量化設(shè)計(jì)勢在必行。HMCVT能夠提高機(jī)械效率和能量利用率，使車輛具備良好的性能。因此今后應(yīng)開展更多的相關(guān)研究，使機(jī)械設(shè)備具有更加優(yōu)良的性能。

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