詳細有限元技術在MT變速器箱體結構仿真應用

佘丹丹，羅大國，陳勇，王瑞平,2

（1.寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉利羅佑發動機有限公司，浙江 寧波 315800）

詳細有限元技術在MT變速器箱體結構仿真應用

佘丹丹1，羅大國1，陳勇1，王瑞平1,2

（1.寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉利羅佑發動機有限公司，浙江 寧波 315800）

箱體作為變速器的關鍵部件，其強度、剛度最終對變速器的使用壽命、NVH性能、密封性能產生重要影響。通過詳細有限元分析技術對某MT變速器箱體的結構性能進行仿真，根據仿真結果全面排查薄弱環節及潛在風險并提出有效指導箱體結構改進的建議，計算效率及仿真精度較高，在產品開發階段有非常優越的工程應用價值。

變速器箱體；詳細有限元；強度；剛度

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-33-03

引言

變速器箱體作為變速器的主體承載結構，其中所有齒輪、軸與軸承、換擋機構、控制機構的質量及變速器運轉時產生的載荷等都將傳遞到變速器箱體，同時變速器箱體的強度是變速器的承載性能的關鍵影響因素之一，傳動部件的使用壽命及整個變速器的重要性能指標（如NVH性能）的保證需以箱體的剛度達標為前提[1]。因此在產品研發階段，采用詳細有限元技術對變速器箱體進行結構分析是必不可少的環節：一方面可獲得變速器箱體在各種極限工況下的最大應力及變形，預先排查結構設計的強度及剛度薄弱區域，另一方面可根據分析結果指導箱體的結構改進，保證箱體結構強度和剛度滿足設計目標的同時使得設計更加符合產業化的工藝要求[2]?？傊?，通過詳細有限元分析可以避免變速器箱體在實際使用中常出現的強度及剛度問題，使箱體重量更輕，結構更加經濟合理，同時也可縮短開發周期、減少開發成本。

1、詳細有限元技術

采用詳細有限元分析技術研究變速器箱體的強度、剛度，主要工作內容包含分析對象、輸入參數、受載工況、有限元模型建立、結果分析等方面。

1.1 分析對象

目前，主要分析對象為變速器箱體，3D模型中除包含變速器箱體外，還需帶有與變速器箱體接觸且后期加載需要使用的零件軸承外圈，連接前后箱體的螺栓，起軸承限位作用的軸承壓板。3D數模格式需轉化為實體，箱體數模不允許存在破面，3D數模中各零件的裝配位置需與實際使用工況保持一致。

1.2 輸入參數

材料參數：變速器的前、后箱體材料為ADC12，螺栓材料、軸承壓板為45號鋼，其參數如表1所示。

表1 材料機械性能參數

1.3 受載工況

變速器箱體所受的軸承載荷主要來自齒輪與軸在傳遞扭矩時通過軸承傳遞給箱體軸承座位置的各個方向上的壓力及扭矩。箱體詳細有限元分析，需先考慮箱體裝配工況，即軸承外圈與箱體的配合、螺栓預緊力、工作溫度工況；再考慮變速器運轉時軸承力工況。輸入扭矩為250N·m，各個檔位工況下的箱體所受軸承力及扭矩大小和方向可以通過kisssoft軟件提取。此款變速器箱體2檔工況所受載荷較大，故以2檔工況為例進行建模，箱體所受載荷見表2。

1.4 有限元建模

此次分析采用ABAQUS軟件，先將3D模型導入前處理軟件Hypermesh，進行干涉檢查幾何清理。螺栓、軸承、軸承壓板采用六面體劃分，前后箱體采用4面體網格劃分，網格尺寸為5mm，加強筋部位網格劃3～5層，為保證計算模型收斂性且不產生嚴重畸變，網格質量檢查tet collapse數值保證大于0.15，最小網格尺寸保證大于0.35，其余參數采用軟件默認數值進行評價。本次分析變速器箱體網格模型如圖1所示。

建立軸承外圈與箱體軸向、徑向接觸面，軸承外圈的軸向接觸面與徑向接觸面之間保證無共節點，箱體接觸面參考軸承建立，箱體與軸的軸向接觸對單元保證有2～3排，便于刪除共節點的單元后仍有單元可用于建軸向接觸對。軸承與軸承壓板，軸承壓板與箱體、前后箱體合箱面建接觸對。

定義包含所有網格的單元集，便于施加溫度，建立后續施加螺栓參數時使用的每個箱體體螺栓孔位置節點集，如需提取每個螺栓在軸承載荷作用工況時的受力，則建立每個螺栓預緊力控制點的Tag標簽。

創建螺栓預緊力作用面和控制節點，建立螺栓與箱體法蘭面接觸對，建立螺栓與箱體、螺栓與軸承壓板螺紋連接接觸對，此接觸對需選用small-sliding，再通過clearance bolt設置螺栓與箱體、螺栓與軸承壓板的配合（正值表示間隙負值表示過盈），螺栓參數需包含螺旋角、節距、螺栓中徑[3]。

表2 2檔工況載荷

建立用于施加軸承載荷的RB3單元，并把此單元中心節點建立節點集，如施加不同檔位工況的軸承載荷，可直接修改inp文件中參數，建模效率得到極大提高。

根據表1中材料參數定義材料彈性模量及泊松比，并賦予箱體、軸承外圈、軸承壓板、螺栓相應材料屬性[4]。通過constraints約束變速器前箱體與發動機安裝面螺栓孔X、Y、Z三個方向移動自由度，如圖2中紅色所示。施加2檔軸承載荷到RB3單元中心節點集，施加預緊力18000N到螺栓預緊力接觸對的控制節點。建立分析步，初始溫度20°，分析工況依次為軸承外圈與箱體配合、螺栓預緊力、溫度115°、軸承載荷，在溫度工況分析之前螺栓長度可調整，溫度工況與軸承載荷工況需要提取每個螺栓受力，故螺栓長度需選fixed進行控制[3]。輸出變速器箱體變形、應力、螺栓受力。全部設置完畢后導出inp文件到ABAQUS軟件進行計算。

2、計算結果分析

由圖3、4可知，前箱體的最大應力為115.7Mpa，后箱體的最大應力為83.76Mpa，均小于材料抗拉極限330Mpa，最小安全系數為330/115.7=2.85，設計目標安全系數為2，故靜強度滿足設計要求。

由圖5、6可知，前箱體的最大變形為0.206mm，發生在輸出一軸軸承座位置，后箱體的最大變形為0.227mm，發生在差速器軸承座位置，此款箱體對軸承座變形量要求低于0.2mm，由于四面體網格單元剛性較大，實測變形量的數值通常高于仿真結果，故仿真時軸承座變形量以0.18mm作為評價標準。此款箱體的軸承座變形均大于評價標準，軸承座變形量數值過大將引起軸的變形、齒輪接觸形式的改變，從而影響整個變速器NVH性能。如果傳動系長期處于非正常運轉狀態，會極大降低變速器的使用壽命。故此款箱體仍需通過加筋、或將已有筋加厚的方式提高軸承座位置的剛度。

由圖8可知螺栓13、14的受力大于螺栓最大預緊力18000N，螺栓將會破壞，從而不能保證前后箱體合箱面接觸良好，存在使變速器產生漏油的風險。故需增加螺栓個數，要增加螺栓的區域見圖7箱體上螺栓13、14位置。

3、結語

本文以某MT變速器箱體的2檔工況為例，從分析對象、輸入參數、工況、建模、結果輸出等方面介紹詳細有限元分析技術，建模細節考慮全面，網格質量得到保障，計算效率和仿真精度較高，通過分析仿真結果能提出有效的箱體改進方案。因此，詳細有限元分析技術有重要的工程應用價值。

[1] 王峻峰. 某重型卡車變速器箱體有限元分析與研究[D]. 沈陽:沈陽工業大學, 2010.

[2] 秦濤. 某UTV變速器嚙合振動及箱體強度分析[D]. 重慶: 重慶大學, 2012.

[3] Dassault Systèmes Simulia Corp. Abaqus Keywords Reference Manual[M]. http://www. simulia.com, 2012.

[4] 石亦平, 周玉蓉. ABAQUS有限元分析實例詳解[M]. 北京: 機械工業出版社, 2006.

Detailed FE Technology Applied to MT Transmission Casing Structure Simulation

She Dandan1, Luo Daguo1, Chen Yong1, Wang Ruiping1,2
（1.Ningbo Geely Royal Engine Components Co.,Ltd., Zhejiang Ningbo 315336; 2.Zhejiang Geely Royal Engine Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315800）

As the key components of the transmission, the casings' strength and stiffness will make an important influence the transmission's work life, NVH property and sealing effect finally . With the detailed FE technology, some MT transmission casings' structure performance is simulated. According to the calculation result, all the weak area and potential risk are detected. And the effective suggestion for improving the casing structure is put forward. For its high computational efficiency and accuracy of the simulation, there is a very superior engineering application value in the product development phase.

transmission casing, detailed FE technology, strength, stiffness

U463.2

A

1671-7988(2015)02-33-03

佘丹丹，碩士研究生，仿真分析工程師，就職于寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，主要從事變速器仿真分析研究工作。