車輛綜合傳動箱體螺栓布局設計的標準方法

陳 彥,王 知,陳京生,季新霞,鄭曉亞

(中國兵器工業標準化研究所， 北京 100089)

綜合傳動裝置是實現車輛變速箱是傳動系統的核心部件，其主要目的是改變發動機輸出的轉矩與轉速，以適應車輛在起步、加速、行駛以及克服道路障礙等工況下對牽引力和車速的需求。箱體作為其中重要的部件，承受著齒輪嚙合傳動的載荷，要保證在長期運轉中不能發生影響使用的變形，其性能和質量對整個系統的動力性、經濟性、傳動的平穩性與效率等都有直接的影響，在設計中占據著非常重要的地位。

綜合傳動箱體基本上由5部分組成，分別為前箱體、上、下箱體和左右箱蓋。各組成之間采用的螺栓連接，并在兩兩螺栓之間進行防松設計。螺栓是實現載荷在箱體組成之間的傳遞以及箱體結合面之間的密封的關鍵零件。目前箱體之間螺栓連接的設計主要依靠經驗，通常以均布形式進行布置。由于箱體結構與載荷的復雜性，很難選取螺栓最佳布置，通常設計比較多的螺栓連接。

螺栓的布局設計是螺栓連接設計的關鍵。在螺栓布局設計方面，肖文耀[1]針對航空結構承力連接件的螺栓，采用遺傳算法進行布局設計，胡敏[2]等考慮移動載荷變化進行了機床地腳螺栓布局優化。盛曉茜[3]對機床支撐件提出了考慮壓力分布耦合作用的螺栓連接布局優化設計方法，李友龍[4]建立了內外翼連接區域螺栓連接的有限元計算模型，運用黃金分割法對螺栓布局參數進行了優化，為某型戰機機翼內外翼連接區域螺栓設計提供了依據。王建國[5]利用一種加權的方法,利用線性規劃對螺栓組的布局進行優化設計。胡山鳳[6]針對汽車發電機連接螺栓經常出現的應力集中問題，用ANSYS進行模態分析和諧響應分析，采用旋轉連接螺栓整體分布的策略，使新設計的連接螺栓符合設定的疲勞強度。

有限元分析中，連接螺栓的模擬方法有多種，不同的方法在建模難易程度、模擬精度、計算量等方面存在差異[7]，有以實際的螺紋模型建立有限元模型[8]，該方法能夠詳細得到螺紋及螺栓的應力應變情況，但計算模型較大。對于不是以螺栓強度分析為目的，一般采用梁單元模擬簡化實際的螺栓[9]等。現在普遍采用RBE2+CBEAM單元的模擬方式[10]，這種方法在工程實際中具有普遍適用性，不僅模擬精度較高，而且計算工作量比較少，適合具有大量螺栓裝配孔結構的模擬計算。

本研究以綜合傳動各箱體之間的連接螺栓的布局進行設計，首先提出設計流程，然后針對優化變量以及優化方法開展研究，最后進行箱體密封面和箱體的剛強度分析，并和原箱體進行對比。本研究提出的螺栓布局設計流程對箱體連接螺栓的設計具有重要的實際意義，實現了傳統的經驗設計向現代設計的轉變。

1 螺栓布局優化工作流程

本研究箱體螺栓布局優化是針對原有箱體結構進行布局設計，工作流程如圖1所示。首先對箱體進行幾何清理，填充原有螺栓孔，在殼體的連接面上通過BAR單元建立均布的大量的螺栓連接，再通過拓撲優化的變密度法來確定哪些螺栓為主要承載螺栓，通過拓撲優化結果中材料的密度確定需要保留的螺栓，從而實現螺栓的重新分布，并進行結合面密封和箱體強度的性能驗證。

1.1 螺栓布局優化空間定義

在箱體幾何清理建立有限元模型前，為建立新的緊密排布的螺栓連接，需要刪除原有的螺栓連接，即刪除原有的螺栓連接剛性單元，對殼體上的原螺栓孔進行填充處理。在所有原有螺栓孔填充完畢后，定義新的密集布置的螺栓連接，以用于螺栓布局優化。新的螺栓采用BAR單元模擬，BAR單元2端節點通過RBE3與箱體連接。上、下箱體之間的新建螺栓布局及螺栓模型如圖2所示。

圖1 螺栓布局優化工作流程

上下箱體連接螺栓優化區域如圖3所示。對上、下箱體配合面重新布置螺栓，間隔20～30 mm，共91顆螺栓，分為5個優化區域。上下箱體和左、右端蓋的裝配面重新布置螺栓，間隔20～30 mm，共86顆螺栓，分為2個優化區域，如圖4所示。

圖3 上下箱體鏈接螺栓優化區域

圖4 上下箱體與左右端蓋螺栓優化區域

下箱體和前端蓋的裝配面重新布置螺栓，間隔20～30 mm，共39顆螺栓，分為1個優化區域，如圖5所示。

圖5 下箱體與前端蓋螺栓優化區域

1.2 螺栓布局優化分析設置

本研究采用拓撲優化方法對螺栓布局進行優化分析。拓撲優化采用變密度法，通過材料密度的分布確定結構的存在與否。針對前述8個設計區域分別定義8個拓撲優化變量和8個約束，約束其體積分數小于0.6。傳動裝置包含6個前進擋和1個倒擋，本研究采用層次分析法，結合各擋位的工作時間，確定各工況的權重因子如表1所示，將加權應變能最小作為其優化目標。

表1 各工況權重因子值

載荷條件：傳動箱箱體所受載荷為軸承座載荷，系考慮動載系數后的穩態沖擊載荷，如表2所示。

對于位移邊界條件，左右端蓋輸出軸端全約束，后殼體輸入軸端全約束，后殼體6個螺栓連接孔處全約束。

表2 軸承座載荷 N

2 螺栓布局優化結果

上、下箱體配合面螺栓布局優化結果如圖6所示。拓撲優化結果中顯示為每個BAR單元的單元密度，密度較大的BAR單元表明該處螺栓傳遞載荷較大，需要保留該處螺栓；密度較小的BAR單元表明該處螺栓傳遞載荷較小，可以去除該處螺栓。同時，還需要結合工程實際情況，通常在轉角的位置和邊界位置，需要保留一顆螺栓。中間位置如有單元密度明顯大于周圍單元的單元密度，也需要保留該位置螺栓單元。根據螺栓的結果分布情況，結合實際結構特點以及螺栓布置安裝的方便性，選擇需要布螺栓的位置如圖6所示，共19顆螺栓，比原模型減少了8顆。

圖6 上、下箱體螺栓布局優化結果

根據螺栓的結果分布情況，結合實際結構特點，左右端蓋配合面的螺栓布局位置如圖7所示，左、右端蓋各有13顆螺栓，比原模型減少2顆，共減少4顆螺栓。

圖7 左、右端蓋螺栓布局優化結果

下箱體和前端蓋配合面螺栓布局優化結果如圖8所示。根據螺栓的結果分布情況，結合實際結構特點，選擇需要布置的螺栓共17顆，比原模型減少3顆。

根據螺栓布局的優化及螺栓篩選結果，螺栓優化后新螺栓質量為8.3 kg，螺栓減重4.1 kg。

圖8 下箱體和前端蓋裝配面螺栓布局優化結果

3 箱體結合面密封性能分析

對原模型和螺栓布局優化后模型的密封性進行比較。模型上下箱體接觸間隙如表3所示。模型左右箱體接觸間隙如表4所示。

表3 上下箱體接觸間隙 mm

表4 左右端蓋與箱體接觸間隙 mm

從上下箱體之間、左右端蓋與箱體之間在各載荷工況下的間隙對比可知，新模型上下箱體之間在各個工況下的間隙均小于原箱體，左右端蓋與箱體之間的間隙，新箱體同樣小于原箱體。在載荷工況下，箱體之間的間隙越小，說明箱體密封效果越好，因此新模型的密封效果要好于原模型。

4 箱體強度分析驗證

對螺栓布局后的傳動箱箱體建立有限元模型，并進行應力分析。在7種工況下，前箱體在6擋工況下的應力最大，為196.9 MPa，小于疲勞應力約束255 MPa；后箱體在6擋工況下的應力最大，為119.7 MPa，小于疲勞應力約束255 MPa；左端蓋在6擋工況下的應力最大，為83.3 MPa，小于疲勞應力約束220 MPa；右端蓋在6擋工況下的應力最大，為135.5 MPa，小于疲勞應力約束170 MPa；前端蓋在3擋工況下的應力最大，為34.6 MPa，小于疲勞應力約束170 MPa。傳動箱在各個工況下均滿足疲勞強度要求。新舊箱體在相同工況下的應力值，如表5所示。

總體來看，新箱體的應力要大于舊箱體的應力水平。其中，前箱體的應力增加較明顯，在四擋和六擋工況下，應力增加超過50 MPa，應力增加的位置主要是在螺栓孔局部位置，不代表整個箱體的應力增加。同時，新箱體在各個工況下的應力均滿足疲勞強度要求。

表5 新舊箱體最大應力值 MPa

5 結論

針對綜合傳動裝置箱體的連接螺栓布局制定了設計流程，根據螺栓布局的優化及螺栓篩選結果，保留優化結果中材料密度較大的螺栓單元，根據傳動箱體螺栓安裝的方便性，對螺栓進行了合理的優化布置，螺栓減重4.1 kg。針對螺栓優化后，本研究建立了新箱體的有限元分析模型，分別進行了密封和強度分析。新箱體的最大應力雖有增加，但滿足疲勞強度要求。在密封性能上，新箱體在載荷工況下的間隙值小于原箱體，密封效果優于原箱體。研究表明，所提出的螺栓布局設計流程合理適用。