基于靜力學(xué)分析與靜扭試驗(yàn)的變速器殼體強(qiáng)度研究

王麗娟， 馬維金， 于瑞湘

（1.中國(guó)重汽集團(tuán)大同齒輪有限公司技術(shù)中心，山西大同037305；2.中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，太原030051）

基于靜力學(xué)分析與靜扭試驗(yàn)的變速器殼體強(qiáng)度研究

王麗娟1， 馬維金2， 于瑞湘2

（1.中國(guó)重汽集團(tuán)大同齒輪有限公司技術(shù)中心，山西大同037305；2.中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，太原030051）

以某輕型載貨汽車變速器鑄鋁殼體為研究對(duì)象，應(yīng)用有限元靜力學(xué)方法分析其在1擋工況下的殼體強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)ANSYS Workbench后處理數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出變速器殼體應(yīng)力、變形的分布情況。并通過(guò)靜態(tài)扭矩加載實(shí)驗(yàn)，測(cè)得鑄鋁殼體的應(yīng)力、應(yīng)變情況，由此可獲得該鑄鋁殼體在實(shí)際工作狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。測(cè)試分析結(jié)果與靜力學(xué)分析結(jié)果的比較，為有限元模型的修改及變速器殼體的進(jìn)一步優(yōu)化提供了依據(jù)。

變速器殼體；有限元靜力學(xué)分析；應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試；安全系數(shù)

0 引言

變速器殼體是變速器結(jié)構(gòu)中的重要組成部件，起到支撐、保護(hù)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用。殼體性能好壞直接影響整個(gè)變速箱結(jié)構(gòu)的性能，間接地影響整車的使用性能［1］。殼體強(qiáng)度不足會(huì)造成局部出現(xiàn)裂紋甚至殼體損壞，剛度不足會(huì)影響齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)性、精確性，從而降低整個(gè)變速箱的動(dòng)態(tài)性能和使用壽命。殼體的動(dòng)態(tài)性能會(huì)直接影響整個(gè)變速箱的振動(dòng)和噪音，從而影響駕乘人員的舒適性。因此，提高變速箱的性能和工作效率，是目前比較重要的研究方向。

1 變速器殼體有限元分析

1.1 有限元分析過(guò)程

有限元分析過(guò)程主要包括3個(gè)部分：前處理模塊，求解模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)絡(luò)劃分工具；后處理模塊是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡(jiǎn)便提取信息。總之，有限元分析廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、國(guó)防軍工等一般工業(yè)及科學(xué)研究。

1.2 有限元模型

由于有限元分析過(guò)程中復(fù)雜的3D模型導(dǎo)入到ANSYS經(jīng)典界面中，往往因?yàn)閹缀文Ｐ褪Ф鵁o(wú)法進(jìn)行計(jì)算，而ANSYS Workbench產(chǎn)品的推出解決了諸如此類的問(wèn)題，因此本分析采用ANSYS 12.0 Workbench軟件。

箱體整體結(jié)構(gòu)包括前殼、中殼、后殼、前后橋傳動(dòng)軸及輸出軸軸蓋。用Pro/E軟件對(duì)三維實(shí)體進(jìn)行造型［2］，并經(jīng)過(guò)適當(dāng)修改之后導(dǎo)入到 ANSYS Workbench軟件中，如圖1所示。

圖1 變速器三維造型

該模型的連接關(guān)系通過(guò)接觸關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)加入接觸關(guān)系后，程序?qū)⒆詣?dòng)檢測(cè)并添加接觸關(guān)系，而其它連接關(guān)系則需要手動(dòng)加入。在本過(guò)程中需要添加的接觸關(guān)系為摩擦接觸。摩擦面的設(shè)定包括離合器殼與變速器中殼前端面之間摩擦因數(shù)設(shè)定為0.2，并將該連接面的4處螺栓孔處設(shè)定耦合。分析中使用 Targe170和Contact174 來(lái)定義接觸對(duì)［3］。

1.3 邊界條件

施加邊界條件為離合器殼端面及前、后橋傳動(dòng)軸軸端2個(gè)約束面，具體均為約束其6個(gè)方向上的自由度。受力主要考慮變速器總成在1擋輸入扭矩為250 N·m作用下的受力分析（考慮安全系數(shù)為

2.5），將計(jì)算到的齒輪受力分解到殼體軸承孔上，以此來(lái)觀察鋁殼變速箱總成的強(qiáng)度和剛度變化。施加載荷結(jié)果如圖2所示。

圖2 載荷施加結(jié)果

1.4 有限元分析結(jié)果

有限元結(jié)果應(yīng)力云圖如圖3、圖4所示，總變形云圖如圖5、圖6所示。從應(yīng)力云圖可以看出：箱體中殼軸承位置施加載荷處應(yīng)力數(shù)值較大，為100 MPa左右；箱體后殼軸承位置施加載荷處，應(yīng)力最大值為168 MPa左右；輸出軸軸蓋外表面處應(yīng)力最大值約為43 MPa左右；離合器殼與中殼結(jié)合面處應(yīng)力約為23 MPa左右；箱體離合器殼兩側(cè)開(kāi)口處應(yīng)力數(shù)值大小約為23MPa左右；箱體離合器殼加強(qiáng)筋部分及螺栓連接孔附近應(yīng)力數(shù)值大小約為16 MPa左右，其余部位應(yīng)力數(shù)值較小。

圖3 應(yīng)力云圖

圖4 應(yīng)力云圖

圖5 變形云圖

圖6 變形云圖

從總變形圖可以看出：箱體前殼與輸出軸軸蓋變形較小，中殼與后殼部分變形量較大；箱體最大變形量發(fā)生在輸入軸軸端，最大變形量為7.45×10-5m左右。

2 變速器殼體靜態(tài)扭矩載荷應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試

2.1 測(cè)試儀器

測(cè)試試驗(yàn)采用DASP INV3020-CPCI高性能數(shù)據(jù)測(cè)試分析儀、SDY2101型8通道動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、電橋盒、信號(hào)線、應(yīng)變片等儀器設(shè)備。測(cè)試系統(tǒng)的調(diào)試工作，主要包括各次測(cè)試工作開(kāi)始前動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的電橋平衡、增益選擇及調(diào)整、正負(fù)方向的校準(zhǔn)、低通濾波器檔位的選擇、橋壓選擇；應(yīng)變片防短路的測(cè)試；橋路電阻的測(cè)試；系統(tǒng)各元件（DASP測(cè)試分析儀、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、電橋盒）的接零防噪處理，系統(tǒng)接通狀態(tài)是否正常的測(cè)試以及數(shù)據(jù)預(yù)采集分析等工作［4］。

2.2 測(cè)試過(guò)程

實(shí)驗(yàn)采集了各應(yīng)變計(jì)在靜扭試驗(yàn)臺(tái)從0 N·m加載到650 N·m時(shí)應(yīng)變的變化數(shù)據(jù)，其中在試驗(yàn)臺(tái)加載到250 N·m、350 N·m、500 N·m、630 N·m時(shí)均有6～10 s停頓，用來(lái)記錄近似恒扭矩狀態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)，從每一測(cè)點(diǎn)的全程應(yīng)變數(shù)據(jù)中截取靜扭試驗(yàn)臺(tái)4個(gè)檔位時(shí)的對(duì)應(yīng)的應(yīng)變數(shù)據(jù)，截取時(shí)間為2 s，數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為2 048，對(duì)截取后的數(shù)據(jù)求平均值并記為該點(diǎn)在靜扭試驗(yàn)臺(tái)該檔位時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變數(shù)據(jù)值。應(yīng)力計(jì)算公式如下：

對(duì)應(yīng)力計(jì)算完成之后的數(shù)據(jù)在Matlab環(huán)境中編譯［5］，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化情況以圖示形式表現(xiàn)出來(lái)，在圖7中只列出測(cè)點(diǎn)1的應(yīng)力變化情況。

圖7 測(cè)點(diǎn)1應(yīng)力變化情況

2.4 靜態(tài)扭矩實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)加載2.5倍輸入扭矩時(shí)，前箱兩個(gè)窗口附近區(qū)域呈現(xiàn)出應(yīng)力集中現(xiàn)象。其中前箱與中箱螺栓連接附近區(qū)域呈現(xiàn)出較大應(yīng)力，最大應(yīng)力值為15.55 MPa，小于箱體材料的抗拉強(qiáng)度值。箱體左右兩側(cè)近似對(duì)稱位置測(cè)點(diǎn)所受拉應(yīng)力或壓應(yīng)力呈對(duì)應(yīng)分布。

3 結(jié)論

1）從實(shí)驗(yàn)測(cè)試應(yīng)力分析結(jié)果和有限元分析結(jié)果對(duì)比看，應(yīng)力集中區(qū)域多分布在前箱與中箱螺栓連接處及前箱窗口附近，均在箱體材料抗拉強(qiáng)度范圍之內(nèi)。

2）變速箱在承載扭矩過(guò)程中，同一測(cè)點(diǎn)受力呈單向分布趨勢(shì)，即測(cè)點(diǎn)在承受一個(gè)方向較大應(yīng)力的同時(shí)，在與該方向垂直方向所承受應(yīng)力較小。各測(cè)點(diǎn)合成應(yīng)力數(shù)值上與單向應(yīng)力相差不大，方向與單向較大應(yīng)力方向基本一致。

3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后的有限元分析結(jié)果，可以更準(zhǔn)確地對(duì)后續(xù)的殼體優(yōu)化提供依據(jù)。

［1］ 陳家瑞.汽車構(gòu)造：下冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］ 王望予.汽車設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［3］ 宋志安.機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析-ANSYS與ANSYS Workbench工程應(yīng)用［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

［4］ 周生國(guó).機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)［M］.2版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

［5］ 陳杰.Matlab寶典［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

（編輯：昊 天）

Research on the Gearbox Shell Strength Based on the Statics Analysis and Static Torsion Test

WANG Lijuan1， MA Weijin2， YU Ruixiang2
（1.Heavy Vehicle Group Gear Co.，Ltd of China，Datong 037305，China;2.College of Mechanical Engineering and Automation，North University of China，Taiyuan 030051，China）

A light truck transmission cast aluminum shell is taken as the research object，1 fileshell strength is analyzed by using statics finite element analysis，the post-processing data of software ANSYS Workbench is analyzed to get the distribution of stress and deformation of gearbox shell.Through the static torque loading experiment，the stress and strain of cast aluminum shell are measured to obtain the stress and strain state of the cast aluminum shell under the actual work condition.The comparison between statics analysis results and test results provides a basis for the finite element model for the change and further optimization of the gearbox shell.

dgearbox shell;finite element analysis;stress-strain testing;safety factor

TP 391.7

A

1002－2333（2014）04－0018－03

王麗娟，女，工程師，碩士，研究方向?yàn)槠囎兯倨鏖_(kāi)發(fā)；馬維金（1957—），男，教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與故障診斷。

2014-01-17