基于Inspire的變速箱殼體尺寸優(yōu)化策略

王玉梅

（德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東德州 253034）

0 引言

變速箱殼體是變速箱的關(guān)鍵零件，它將變速箱的齒輪、軸、軸承及撥叉等零件組裝成一個(gè)整體，并保持相互之間的正確位置，按照一定的傳動(dòng)關(guān)系傳遞動(dòng)力。變速箱殼體體型較大，結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，技術(shù)要求比較高，而輕量化設(shè)計(jì)成為各個(gè)車企實(shí)現(xiàn)降低油耗的重要措施之一，通過降低汽車重量，提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性、節(jié)省能耗、減少污染。在不影響汽車的安全性、抗振性以及舒適性的前提下，利用拓?fù)鋬?yōu)化方法，對(duì)變速器變速箱殼體進(jìn)行優(yōu)化再設(shè)計(jì)，既保證良好的使用性能，又實(shí)現(xiàn)變速器變速箱殼體輕量化設(shè)計(jì)。運(yùn)用Altair Solidthink有限元軟件的Inspire對(duì)變速箱殼體進(jìn)行前處理，并調(diào)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模塊進(jìn)行尺寸優(yōu)化分析，實(shí)現(xiàn)變速箱的輕量化設(shè)計(jì),得到同時(shí)滿足多工況條件下動(dòng)靜態(tài)性能提高的變速箱殼體結(jié)構(gòu)，并提高材料的利用率。

1 優(yōu)化前模型的確認(rèn)

變速箱殼體材料為鑄鋁，采用高壓鑄造工藝，其彈性模量 E=75 GPa，泊松比 滋=0.3，密度 籽=2.7伊103kg/m3，屈服強(qiáng)度160 MPa，抗拉極限 270 MPa。

在加載條件和校核中主要考慮軸變速箱殼體內(nèi)的齒輪參數(shù)、相關(guān)軸狀態(tài)、剛度曲線等相關(guān)因素，在力平衡和力矩平衡的基礎(chǔ)上，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩計(jì)算出不同檔位變速齒輪箱殼體的各個(gè)軸承座上的受力情況

首先，通過Inspire軟件對(duì)變速器殼體優(yōu)化前的模型進(jìn)行仿真分析。對(duì)變速箱殼體的質(zhì)量、強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析和驗(yàn)證，保證優(yōu)化前后變速箱殼體性能不變，同時(shí)為優(yōu)化提供目標(biāo)值和約束值。

通過仿真分析得到，變速箱殼體質(zhì)量為14.8 kg,變速箱殼體的等效應(yīng)力180 MPa，大于變速箱殼體材料的屈服強(qiáng)度，一階模態(tài) 680 Hz，約1000 Hz，故原模型在性能上不滿足設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化原模型見圖1。

2 優(yōu)化模型的建立

2.1 可設(shè)計(jì)空間的提取

圖 1優(yōu)化原模型

首先提取變速器變速箱殼體的可設(shè)計(jì)空間，使變速箱殼體的模型在最大程度上充滿設(shè)計(jì)空間，并確保變速箱殼體與內(nèi)外部零部件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)連接關(guān)系，避免發(fā)生干涉影響到內(nèi)外部零部件工作和安裝件，除了拓?fù)鋬?yōu)化外，使用該模型應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)的制造工藝要求，為避免發(fā)生后期不能滿足制造加工的問題。對(duì)原模型進(jìn)行可設(shè)計(jì)空間提取，給出優(yōu)化前使用的最大材料空間，見圖2。

2.2 優(yōu)化模型加載及優(yōu)化設(shè)置

優(yōu)化模型采用與齒輪箱優(yōu)化模型相同的模型對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行加載，并在加載后完成變量、優(yōu)化響應(yīng)、約束和目標(biāo)值得建立。在優(yōu)化過程中，優(yōu)化模型根據(jù)加工制造工藝可行性問題的要求，將變速器殼優(yōu)化模型劃分為若干個(gè)子優(yōu)化空間，并進(jìn)行變量設(shè)置，使優(yōu)化結(jié)果更便于加工制造。

將優(yōu)化區(qū)域中每個(gè)子區(qū)域分別設(shè)置為變量，根據(jù)不同部位的設(shè)計(jì)使用不同的拔模方向，循環(huán)對(duì)稱數(shù)等加工制造約束。

在優(yōu)化過程中，模型的響應(yīng)將直接影響優(yōu)化結(jié)果是否合理，是否滿足設(shè)計(jì)要求。該優(yōu)化模型的響應(yīng)選擇的是體積分?jǐn)?shù)、靜態(tài)位移、靜態(tài)應(yīng)力、頻率和靈活性。本次為靜動(dòng)態(tài)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化采用柔度響應(yīng)為組合柔度指數(shù)，模型未優(yōu)化部分與優(yōu)化部分對(duì)比見圖3。

結(jié)構(gòu)復(fù)雜的變速箱殼體，一般在2個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：淤通過一個(gè)簡(jiǎn)單的制造工程約束參數(shù)設(shè)置，變速箱殼體表面的基本結(jié)構(gòu)分析；于詳細(xì)的制造工藝約束參數(shù)的設(shè)置，得到變速箱殼體表面加強(qiáng)筋的布置結(jié)果。兩者結(jié)合，得到符合設(shè)計(jì)要求和性能良好而且美觀的變速箱殼體結(jié)構(gòu)。通過仿真計(jì)算和模型的調(diào)整，最終得到優(yōu)化結(jié)果云圖（圖 4）。

通過對(duì)比可以看出，單一擋位重點(diǎn)部位材料的布局形式再多擋位結(jié)合在材料的布局上均有體現(xiàn)，為了獲得良好的 NVH（Noise，Vi原bration，Harshness，噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度）性能，強(qiáng)度、剛度通常結(jié)合多擋位工況結(jié)合的優(yōu)化結(jié)果當(dāng)作變速箱殼體整體的分布，但拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果通常只作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方向，因?yàn)閮?yōu)化結(jié)果比較粗糙，所以它只作為一個(gè)參考。

圖 2 減速器變速箱殼體拓?fù)鋬?yōu)化模型

圖3 模型未優(yōu)化部分與優(yōu)化部分

圖4 優(yōu)化結(jié)果云圖

3 優(yōu)化后變速箱殼體設(shè)計(jì)與驗(yàn)證分析

3.1 優(yōu)化前后對(duì)比結(jié)果

基于優(yōu)化結(jié)果和變速箱殼體的設(shè)計(jì)原則，利用三維建模軟件建立變速器殼體的優(yōu)化模型（圖5）。

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析驗(yàn)證

對(duì)變速器殼體進(jìn)行再設(shè)計(jì)后，對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行分析和驗(yàn)證。從剛度、強(qiáng)度和質(zhì)量3個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證，并與原方案進(jìn)行比較，見表1。

圖5 變速器殼體優(yōu)化模型

表1 分析驗(yàn)證結(jié)果

分析結(jié)果表明，變速箱優(yōu)化后質(zhì)量比優(yōu)化前模型輕1.85 kg，對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力模型等價(jià)于115 MPa，原殼變速箱壓力達(dá)170 MPa，一階模態(tài)1035 Hz，滿足目標(biāo)設(shè)計(jì)要求，因此該優(yōu)化不僅提高了原變速箱殼體的性能，還實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

（1）通過Inspire軟件完成了變速箱殼體強(qiáng)量化要求，減重1.85 kg，實(shí)現(xiàn)減重目標(biāo)。

（2）通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)提高材料的利用率，減少冗余復(fù)雜結(jié)構(gòu)，降低材料成本；同時(shí)保證了變速箱殼體工藝制造的最佳工藝性，提高模具使用壽命，降低模具成本。

（3）在變速箱殼體設(shè)計(jì)初期，充分考慮變速箱殼體結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、模態(tài)等，避免重復(fù)修改等大量工作，有助于提高設(shè)計(jì)人員的工作效率，縮短變速箱殼體開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。