基于ANSYS的新能源變速器殼體優化設計研究

摘 要：隨著新能源電動汽車驅動電機高速化與集成化的發展，對新能源變速器殼體的輕量化及低噪聲輻射也提出了新的設計需求。結合經典力學理論和有限元分析理論，以某新能源電動汽車變速器殼體為研究對象，運用ANSYS workbench分析工具對優化設計后的變速器殼體進行自由模態分析和約束模態分析，以確定變速器殼體各階頻率下的固有頻率及其振動變化趨勢。仿真分析結果表明，在自由模態分析下該研究設計的變速器殼體的固有頻率接近于0Hz，在約束模態分析下該研究設計的變速器殼體的固有頻率大于643Hz。仿真分析結果說明了優化設計后變速器殼體的固有頻率可以有效避開齒輪旋轉產生的沖擊振動頻率，滿足產品設計的要求。本研究的過程與方法可為后續變速器殼體結構設計提供重要參考。

關鍵詞：變速器 ANSYS 模態分析 優化設計

變速器殼體一方面對旋轉齒輪副起支撐和固定作用，另一方面也負責固定驅動電機等動力源元件。隨著新能源汽車電驅動系統集成化和輕量化的設計需求，轉速達到20000rpm的驅動電機對于變速器殼體的振動激勵作用越發明顯。因此，在變速器殼體投入制造前，即在設計階段進行模態仿真分析，確定殼體的振動趨勢，對變速器總成實現結構優化設計，并降低總成振動輻射，進而減少后期的制造試錯成本具有重要的現實意義。

在已有的變速器殼體結構優化設計研究方面，國內外學者從設計、仿真分析及測試等不同維度進行了深入的研究。莫艷芳等[1]運用有限元方法對輕量化設計的裝載機變速器結構進行分析，并結合臺架及整機耐久驗證設計可行性。楊澤宇等[2]則運用有限元方法對電驅動減速器殼體的加強筋的尺寸、分布及數量等優化設計與分析。吳榮華等[3]結合應力分析和模態分析方法，對殼體實施輕量化設計，減重達到12.5%。時松青等[4]則通過錘擊法對變速器殼體進行模態試驗，驗證不同附加治理對殼體模態的作用。王毅等[5]則研究軸承動態力對變速器殼體振動特性的作用，并運用模態參與因子法（MPF）識別各階次殼體振動貢獻作用。袁勃等[6]運用強度分析和模態分析方法，通過殼體加強筋與圓角過渡設計提升了殼體的強度及一階模態頻率。

綜上所述，高校學者及工程技術人員對于變速器殼體振動優化設計已經開展多視角的深入的研究與分析。本研究以新能源變速器殼體為研究對象，以經典力學理論為基礎，完成變速器殼體的三維模型設計；運用ANSYS軟件workbench模塊搭建變速器殼體的有限元模型，并計算變速器殼體的前6階次的自由模態和約束模態，得到各階次下的固有頻率和振型，為判定殼體優化設計方案提供數據支撐。

1 變速器殼體結構設計

本研究的變速器殼體由兩部分組成，分別是連接驅動電機側殼體及齒輪側殼體。同時，本研究運用Creo三維模型軟件分別對殼體進行詳細的三維造型設計，以滿足總成裝配需求，分析結論能較好體現殼體的動態振型，進而保證仿真分析結果的可靠性。根據傳動齒輪結構布置以及電機連接要求完成初步概念三維模型，如圖1所示；第二步進行結構優化設計，增加殼體加強筋、安裝孔及圓角過渡等設計，如圖2所示。

2 殼體仿真分析

變速器殼體的固有頻率和振型對于電驅動系統總成的振動和噪音具有重要影響，因此國內外學者都通過模態分析的方法求解殼體的固有特征，以避免變速器總成工作過程中產生共振，進而造成的噪聲及破壞。模態仿真分析可分為自由模態分析和約束模態分析。自由模態分析是對處于自由邊界的結構進行模態分析，此時被分析的結構未受到任何位移約束。自由模態分析結果可能會得到固有頻率為0的模態，稱為剛體模態。約束模態分析是在被分析結構受到位移約束的情況下進行的模態分析。首先，本研究利用ANSYS軟件workbench模塊對優化后的變速器殼體進行自由模態仿真分析，以驗證變速器殼體有限元模型的合理性；其次，對變速器殼體有限元模型進行約束模態仿真分析，獲取實際裝配條件下變速器殼體的動態振型。

2.1 有限元模型構建

新能源汽車變速器殼體常用的殼體材料為ADC12，其彈性模量為70GPa，泊松比為0.33。本研究將Creo三維模型軟件造型的變速器殼體數模導入ANSYS軟件workbench模塊下的model仿真分析中，并賦予材料屬性，進而進行模型的網格劃分，完成了ANSYS軟件workbench模塊下仿真模型的搭建。

2.2 自由模態分析

本研究運用ANSYS軟件workbench模塊對優化后的變速器殼體進行自由模態仿真分析，前6階固有頻率結果如表1所示。同時，該殼體的前6階的振型結果如圖3所示。由表1可知，該變速器殼體總成前三階次的固定頻率皆為0，其他4、5、6階次的頻率也較低。但是前4階振型的殼體變形量較大，變形量在0.11以上，最大達到0.17m；第5階的殼體變形量最大達到了0.22m，位置在右側支座安裝處；第6階的殼體變形量最大達到了0.22m，位置在左側支座安裝及右側底座安裝處。

2.3 約束模態分析

變速器殼體在實際整機裝配過程中，分別在左右兩側及底部通過螺栓和車架連接，建立的約束模態分析如圖4所示。本研究運用ANSYS軟件workbench模塊對優化后的變速器殼體進行約束模態仿真分析，前6階固有頻率結果如表2所示。同時，該殼體的前6階的振型結果如圖5所示。第1階次的固定頻率為643Hz，最大變形量為0.47m，位置在軸承孔的連接中心處；第2階次的固定頻率為689Hz，最大變形量為0.54m，位置在軸承孔的連接中心處；第3階次的固定頻率為865Hz，最大變形量為0.26m，位置在輸出軸承孔的左側；第4階次的固定頻率為927Hz，最大變形量為0.31m，位置在輸出軸承孔的左側；第5階次的固定頻率為1089Hz，最大變形量為0.19m，位置在輸出軸承孔的左側；第6階次的固定頻率為1225Hz，最大變形量為0.32m，位置在輸出軸承孔邊。現有新能源電動汽車的電機轉速范圍在10000轉左右，其激振頻率在0～160Hz間；而懸置產生的激振頻率在7～15Hz間。因此該研究設計的變速器殼體的各階次固有頻率均在驅動電機共振頻率之外，可有效地避免產生共振現象。

3 結論

本研究在Creo軟件中搭建和優化變速器殼體三維模型，并在ANSYS軟件中建立有限元模型并進行自由模態和約束模態仿真分析，獲得殼體前6階次的固有頻率及振型。由仿真結果可知，在自由模態分析下該研究設計的變速器殼體的固有頻率遠小于電機及懸置產生的激振頻率，在約束模態分析下該研究設計的變速器殼體的固有頻率大于電機及懸置產生的激振頻率，仿真分析結果證明該研究設計的變速器殼體能滿足整車動態特性的要求。本研究可為新能源變速器殼體開發提供參考及啟示。

基金項目：2024年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目，《基于多影響因子耦合的電驅變速器NVH研究及優化》（2024KY1273）。

參考文獻：

[1]莫艷芳，徐強，鄢萬斌，等.基于有限元分析的變速器結構優化及輕量化設計[J].建設機械技術與管理，2022，35（02）：79-81.

[2]楊澤宇，白學斌，包軒銘，等.基于有限元分析的減速器殼體加強筋優化設計方法[J].傳動技術，2024，38（02）：19-26.

[3]吳榮華，汪滋潤，李小建，等.某輕卡變速器殼體深度輕量化設計[J].汽車零部件，2022（03）：36-42.

[4]時松青，徐傳燕，慈長凱，等.附加質量對變速器殼體模態的影響[J].山東交通學院學報，2024，32（01）：1-6.

[5]王毅，陳勇，代青林，等.純電動汽車兩擋自動變速器殼體振動特性研究[J].機械傳動，2023，47（09）：81-88.

[6]袁勃，孟慶振，梅少龍.基于CAE分析的新能源減速器殼體優化設計[J].安徽科技，2020（10）：51-53.