定軸式變速箱箱體強度有限元分析

鹿飛

摘 要：目前，定軸式變速箱主要用于平地機、裝載機、越野輪胎吊中，當車輛在不同路面上行駛時，易受到各種振動和沖擊，滿載與空載、不同檔位下變速箱各部件受力差異大。因此要求變速箱殼體具備較強的強度滿足不同工況的使用要求。通常變速器殼體設計是利用試驗臺架或通過各種道路試驗現場測試獲取數據進行分析，但是試驗過程漫長且耗費了大量的人力和物力，影響設計進度和周期，同時也會增加設計成本。本工作針對改進后的定軸式變速箱殼體在不同檔位下進行有限元分析，驗證其強度。

關鍵詞：定軸式變速箱;有限元分析;載荷

1 有限元模型

該有限元模型包括變速箱殼體（圖1綠色部分）、變矩器殼體（圖1黃色部分）、軸端蓋（圖1白色部分）。綜合考慮計算的時間和精度，經過試算，主要研究區域網格大小為1mm，遠離受力、接觸和約束區域的網格大小為5mm較為合理。為了提高網格質量方便計算，建模時可適當對一些不關心的特征進行簡化，如倒角、尖角、螺紋裝飾及各種小孔。螺栓已通過校核，故變速箱殼體與變矩器殼體，軸承蓋與殼體之間設置為綁定接觸（Freeze）。殼體使用的材料為灰鑄鐵HT250，材料參數如下：

彈性模量：1.38e5（MPa），泊松比：0.156，質量密度：7.28e-6（kg/mm3），剪切模量：5.98e4（MPa）。

2 邊界條件設置

根據變速箱各部件的裝配關系，在變速箱殼體左右兩側和變矩器端蓋螺栓連接處施加全約束如圖2所示。

3 載荷的施加

通常變速箱殼體主要承受的載荷是軸承孔處的徑向力和軸向力[1]，變速箱運行處于不同檔位，殼體承受的載荷大小和方向各不相同。在變速箱殼體各軸承中，載荷都是通過軸承外圈或軸承座傳遞的，屬于面上的均布載荷。因此可把徑向載荷轉化為均布載荷施加于軸承孔處，軸向載荷可以等效為作用在軸承蓋法蘭面或軸承外圈軸肩上的均布載荷[2]。為了方便，粗略計算施加徑向力時可在軸承孔內部建立整圓的剛性單元。變速箱的受力來源軸承受力的計算結果。

本次工作首先對裝載機變速箱工作時所有檔位進行有限元分析，粗略計算變速箱殼體的應力和變形。針對應力和變形大的檔位重點分析，校核殼體強度。

4 計算結果

變速箱殼體為灰鐵鑄件，有最低抗拉強度（250MPa）沒有屈服強度，強度校核應查看最大主應力。

通過分析可知，裝載機各檔位應力最大值在前進1檔。對最大值處進行倒角、網格細化（尺寸1mm）計算如圖3所示。最大應力值為194.2MPa，最大變形量為0.1799mm（X：0.139mm;Y：0.0918mm;Z：0.136mm;），一種極限情況是主機輪胎抱死工況下，最大渦輪扭矩與離合器極限扭矩較小值作為此工況下的最大允許扭矩，即1980N.m，計算結果如圖4所示。最大應力值為205.9MPa，最大變形量為0.216mm（X：0.104mm;Y：0.0762mm;Z：0.203mm;）。均小于250MPa通過強度校核。

5 討論

從計算結果可以看出，網格細化后應力值和變形量所有增大。裝載機最大應力值為194.2MPa，略低于最低抗拉強度，有待改進。裝載機1檔工況網格細化后應力值大幅增加，原因在于出現應力集中，軸承孔5左下角和右下角兩處應力很大，其他應力較小（圖3）。從變形看，幾種工況最大變形區域在軸承孔5上方偏左，且X、Z方向變形量大。建議適當在變心區域殼體內側橫向加斜拉筋，增加應力值較大區域筋板的寬度。

參考文獻：

[1]孫德志，鄭宏遠，程乃士等.金屬帶式無級變速器殼體的強度和剛度分析[J].中國機械工程，2007，18（18）：2191-2194.

[2]王望予.汽車設計[M].4版.北京：機械工業出版社，2017：16-21.