變速器殼體應力仿真分析驗證

劉彥甫，趙芳，史銘，冉昭

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北保定071000）

變速器殼體應力仿真分析驗證

劉彥甫，趙芳，史銘，冉昭

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北保定071000）

對某型號變速器殼體應力進行了仿真分析與驗證。根據變速器殼體在各擋位條件下的載荷特性建立仿真分析模型，考慮變速器內軸承載荷對殼體受力的影響，確定殼體的應力情況。通過電阻應變測量方法對仿真分析結果進行驗證，仿真值與試驗值基本吻合，且整體變化趨勢保持一致，證明變速器殼體應力的仿真分析結果符合實際情況。

變速器殼體；有限元分析；應力應變測試

0　引言

變速器殼體是變速器的重要組成部件，具有支撐和保護齒輪傳動機構及其他內部零件的作用，因此變速器殼體需要具有足夠的強度，來確保齒輪機構的正常運轉，保證變速器的整體性能。隨著汽車行業的快速發展，CAE仿真分析也日益受到重視。文中針對某型號變速器殼體進行仿真分析，并進行應力應變測試，對仿真分析結果進行驗證，探究變速器殼體應力仿真分析方法的合理性及分析結果的準確性。

1　變速器殼體仿真分析

1.1有限元模型

由于變速器殼體屬于薄壁件，且細小特征較多，為保證仿真分析結果的準確性和計算效率，需要對幾何模型進行適當簡化，分析中網格設置在2～6 mm，并在關注位置、承載位置以及細小特征處進行適當的細化。簡化后的變速器殼體有限元模型如圖1所示，其中四面體單元872 756個，五面體單元3 604個，六面體單元128個，共876 488個單元。

1.2材料定義與邊界條件設置

該型號變速器殼體，由前殼體、后殼體和后蓋組成，材料均為鋁合金 AlSi9Cu3，彈性模量70 GPa，泊松比0.33，屈服強度140 MPa，抗拉強度240 MPa。對變速器殼體進行材料屬性設置，并分別在前殼體與后殼體之間、后殼體與后蓋之間設置接觸關系。由于需要與臺架試驗結果進行對比，依據臺架試驗中殼體的固定方式對變速器殼體進行邊界條件設置。

1.3工況加載

該款變速器的設計扭矩為210 N·m，為更好地對比仿真分析結果與試驗結果，選取一擋和倒擋工況進行驗證分析。

使用齒輪校核軟件MASTA或KISSSOFT，建立變速器的整箱模型，圖2所示為變速器整箱的MASTA模型。根據需要獲取變速器在一擋和倒擋工況條件下各軸承位受力，并將結果施加到變速器殼體的有限元分析模型中。

1.4仿真分析結果

查看各載荷工況下的應力云圖，確認變速器殼體在一擋和倒擋時的應力分布情況，其中一擋和倒擋的應力云圖如圖3、圖4所示。

從圖3、圖4可知：倒擋工況與一擋工況下變速器殼體的應力分布存在很大差異，且倒擋工況較一擋工況嚴格。

2　變速器殼體應力應變測試

通過分析變速器殼體在不同工況下的應力云圖，選取殼體表面平整且應力值較大的區域作為應變測試的測量點，并嚴格按照應變測試的貼片要求進行貼片和質量檢查。使用靜扭試驗臺架進行扭力的加載，扭矩從0緩慢加載到目標扭矩，保持5 ～10 s后卸載到0，試驗情況如圖5所示。

應用胡克定律對測得的應變數據進行計算，得到相應的應力值。其中一擋工況下各測量點的對比結果如圖6所示。

由圖6可知：一擋工況下測量點應力的誤差均在20%以內，最大誤差出現在測量點8，誤差值為15.3%。由圖7可知：倒擋工況下誤差大于20%的測量點有1個，為測量點4，其誤差值為24.7%。由于誤差較大的測量點數量較少，所占比重亦較少，認為測量點4對整體的數據對比的結果影響不大。且在兩種工況條件下，試驗值與仿真值的變速趨勢一致，數據基本吻合，因此變速器殼體的仿真分析方法無誤，能夠真實地反映殼體的應力分布情況。

3　總結

（1）試驗數據與仿真數據的應力變化趨勢基本一致，數據基本吻合，仿真分析的整體方向無誤，分析方法合理，驗證了變速器殼體應力分布及強度仿真分析的準確性和有效性，表明仿真分析的可靠性。

（2）文中軸承載荷，利用齒輪校核軟件獲取，取代了傳統的理論計算方法，得到更加準確的軸承位受力情況，提高仿真分析精度。

（3）造成數據誤差存在的主要原因有以下幾個方面：①由于殼體的加工誤差以及有限元幾何模型的幾何清理，導致仿真分析模型與實際殼體模型存在幾何偏差；②應變片的粘貼及數據采集均會引入測量誤差；③齒輪校核軟件得到的軸承位受力與實際殼體受力情況存在偏差。

（4）可以選取適當安全系數繼續對變速器進行扭矩加載，校核變速器殼體的靜扭強度；或結合變速器殼體的實車應力測試結果，進一步預測變速器殼體的疲勞壽命，為變速器殼體的疲勞設計提供參考依據。

【1】付永華.有限元分析基礎［M］.武漢:武漢大學出版社，2003.

【2】楊曉.變速器試驗設計及仿真分析研究［D］.武漢:武漢理工大學，2013.

【3】劉歡.汽車傳動軸系應力應變測試方法研究［D］.武漢:武漢理工大學，2012.

Simulation Analysis and Verification for Transmission Housing

LIU Yanfu，ZHAO Fang，SHI Ming，RAN Zhao
（R&D Center of Great Wall Motor Company，Automotive Engineering Technical Center of Hebei，Baoding Hebei 071000，China）

The stress simulation and verification for a type of transmission housing were done.The simulation model was built according to load properties under different gear conditions，and considering the influence of bearing loads to the housing stress，the stress distribution on transmission housing was confirmed.The analysis results were verified with the resistance strain measurement method.It is shown the test results coincide with the simulation and their whole change trends are almost the same.It is proved the transmission housing simulation results accord with the actual working situation.

Transmission housing；Finite element analysis；Stress-strain testing

2015-04-20

劉彥甫（1987—），男，學士，現主要從事CAE仿真分析與試驗驗證。E-mail:bsqat@gwm.cn。