變速器殼體輕量化設計淺析

陳丹

摘 要：本文主要針對一款汽車變速器殼體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計、CAE仿真校核淺析殼體的輕量化設計方案，從而有效降低殼體重量，為提高汽車的動力性、減少燃油消耗，降低成本、提高產(chǎn)品競爭力提供有利支持。

關鍵詞：變速器;殼體設計;輕量化

1 引言

如今，節(jié)能環(huán)保已成為社會廣泛關注的話題，汽車輕量化技術已經(jīng)成為汽車產(chǎn)業(yè)最為重要的發(fā)展方向。變速器作為汽車動力總成的重要組成部分，其重量大約占整車的5%，而殼體作為整個變速器的外殼和支撐，其重量約占變速器總成的30%左右[1]。本文主要從變速器殼體布局、材料選取、結(jié)構(gòu)設計等方面，根據(jù)CAE拓撲優(yōu)化完善結(jié)構(gòu)設計，滿足強度、剛度及良好的NVH性能的同時實現(xiàn)重量最輕，從而提高汽車的動力性、減少燃油消耗，降低排氣污染。

2 變速器殼體結(jié)構(gòu)設計

變速器殼體總成主要由變速器前殼體和后殼體組成，采用螺栓連接形成整體封閉結(jié)構(gòu)。為保證輕量化，前、后殼體的材料均為壓鑄鋁合金。變速器殼體在變速器總成中主要起到支撐、包絡和密封的作用，殼體功能決定了具有大體積、大重量的特征，同時要求其具有較高的結(jié)構(gòu)強度、剛度及良好的NVH特性。

殼體在設計布局時，在保證與內(nèi)部零部件間隙前提下，盡可能沿各零部件外輪廓布局，這樣可最大情況下縮小變速器體積，從而減輕殼體重量。一般情況下殼體與齒輪等運作零部件（機加工面）間隙3mm左右，與撥叉等運動零部件（非機加工面）的運動包絡范圍間隙3mm～5mm，與擋油板等固定零部件間隙1mm～2mm。

2.1 基礎壁厚設計

基本壁厚是構(gòu)成壓鑄件基本形狀的基體的厚度，變速器殼體是通過在基體壁厚上增加特征來構(gòu)成的最終形狀，一般情況下鋁合金殼體的基礎壁厚為3.5mm～4mm，軸承位壁厚為5.5mm～7.5mm，螺栓凸臺壁厚為6mm～7mm。另外殼體最大壁厚一般不超過基本壁厚的5倍，否則易產(chǎn)生氣孔、縮孔等缺陷。針對輕量化的殼體，設計的基礎壁厚為3.5mm，軸承孔附近的局部壁厚6mm，螺栓凸臺壁厚為5mm。

2.2 拓撲設計

拓撲優(yōu)化是在原結(jié)構(gòu)的基礎上，在保證結(jié)構(gòu)的剛度和強度以及振動特性滿足要求的情況下，盡可能減少材料的使用，以達到使結(jié)構(gòu)輕量化的目的。根據(jù)拓撲優(yōu)化后的結(jié)果可以對殼體的結(jié)構(gòu)進行修改，如減少殼體壁厚，添加加強筋的數(shù)目，改變殼體的局部結(jié)構(gòu)。對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)重新進行有限元分析，與原殼體結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果進行比較，判斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)是否合理，是否仍能滿足殼體結(jié)構(gòu)的力學性能。

殼體內(nèi)外接口、外部包絡模型建立后，采用拓撲優(yōu)化方式對殼體的加強筋設計采用指導作用。

針對拓撲優(yōu)化仿真計算的結(jié)果，紅色區(qū)域整體相對薄弱，需要多堆積材料。殼體上加強筋的主要作用是提高壓鑄件的強度和剛度，輔助料液的流通。加強筋的厚度要均勻，結(jié)構(gòu)要對稱，且要有一定的拔模斜度，一般情況下加強筋的壁厚與基本壁厚相同。針對輕量化的殼體，設計的基礎壁厚為3mm，懸置等處受力較大處的壁厚為4mm，拔模斜度為1-1.5°。

2.3 鑄造圓角半徑設計

殼體上壁和壁的連接處應設置圓角，合理的圓角有利于金屬流動和殼體的成型，避免殼體出現(xiàn)應力集中、裂紋等情況，以及延長殼體模具的壽命，并且能有效減輕殼體重量。常用的圓角半徑設計見圖2[2]。所以針對輕量化殼體的基礎壁厚3.5mm，一般內(nèi)部圓角設計也是3.5mm、外部圓角7mm。針對加強筋和基礎壁厚的過渡圓角，一般內(nèi)部圓角設計5mm、外部圓角設計9mm。

3 CAE仿真分析

3.1 殼體強度計算

汽車的使用工況非常復雜和惡劣，對零部件機械性能的要求非常嚴格，尤其是汽車關鍵部分動力傳動系統(tǒng)，承受載荷情況比較復雜。為了避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)強度缺陷，應當在產(chǎn)品設計階段就保證其結(jié)構(gòu)強度的可靠性，要對產(chǎn)品在各種工況下進行強度分析，保證產(chǎn)品可靠性。機械零件能夠進行正常工作，在設計時必須要保證有足夠的強度和剛度。將齒輪傳動殼體導入到有限元分析軟件Hypermesh中進行網(wǎng)格劃分，采用網(wǎng)格劃分功能進行四面體網(wǎng)格劃分。殼體作用力是通過軸傳遞到軸承，軸承又作用到殼體軸承孔上，承受載荷情況比較復雜。根據(jù)鋁合金的材料性能，定義CAE仿真的接手準則，主要關注疲勞極限、屈服極限、抗拉極限，應力計算結(jié)果及優(yōu)化后視圖如圖3、圖4。

3.2 殼體模態(tài)仿真

下面各圖中，左上角數(shù)值為振幅，右上角為階數(shù)和頻率。

圖5為該變速器前殼體初始振幅較大位置，發(fā)現(xiàn)在頻率3809Hz時，該處最大振幅已接近58。由于該處紅色區(qū)域的右側(cè)設計了兩處排空離合器腔內(nèi)偶爾會進入細小雜物的缺口，相對比較薄弱。優(yōu)化后在紅色區(qū)域的下側(cè)重新調(diào)整了縱向加強筋的位置，通過CAE重新分析后發(fā)現(xiàn)在保證前殼體總質(zhì)量不變的基礎上模態(tài)得到了明顯改善，圖6是改進后的前殼體振幅較大位置，已基本接近目標值40。

4 總結(jié)

通過從殼體結(jié)構(gòu)設計、CAE仿真校核等方面對變速器殼體進行優(yōu)化處理，使殼體在保證強度、剛度的同時，最大程度上減輕重量。本文所探討的變速器殼體的輕量化設計方案，能有效降低殼體重量，為提高汽車的動力性、減少燃油消耗，降低成本、提高產(chǎn)品競爭力提供有利支持。

汽車產(chǎn)品在開發(fā)、設計過程中對結(jié)構(gòu)性能的要求越來越高，如何在概念設計階段就達到結(jié)構(gòu)設計要求，已經(jīng)成為汽車產(chǎn)品設計階段的重要研究內(nèi)容，拓撲優(yōu)化技術可以在一定程度上指導汽車零部件進行結(jié)構(gòu)設計。拓撲優(yōu)化技術在汽車零部件設計中有著巨大的優(yōu)勢，在產(chǎn)品設計的最初階段就可以進行指導，全面了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能特征，根據(jù)設計目標得到最終優(yōu)化設計方案。拓撲優(yōu)化可以提高工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。拓撲優(yōu)化不涉及結(jié)構(gòu)的具體尺寸設計，因此可以指導同一類產(chǎn)品的開發(fā)設計，根據(jù)給定的最佳設計方案，為進一步的詳細設計提供依據(jù)。

參考文獻：

[1]陳啟云.變速器輕量化設計探索[J].現(xiàn)代制造、工藝裝備 2014（3）：1-6.

[2]王慧杰.變速器殼體輕量化設計[C]. 建筑工程技術與設計 2017.6：3596.