詳細(xì)有限元技術(shù)在MT變速器箱體結(jié)構(gòu)仿真應(yīng)用

佘丹丹，羅大國，陳勇，王瑞平,2

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

詳細(xì)有限元技術(shù)在MT變速器箱體結(jié)構(gòu)仿真應(yīng)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(fā)動機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉利羅佑發(fā)動機(jī)有限公司，浙江 寧波 315800）

箱體作為變速器的關(guān)鍵部件，其強(qiáng)度、剛度最終對變速器的使用壽命、NVH性能、密封性能產(chǎn)生重要影響。通過詳細(xì)有限元分析技術(shù)對某MT變速器箱體的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果全面排查薄弱環(huán)節(jié)及潛在風(fēng)險并提出有效指導(dǎo)箱體結(jié)構(gòu)改進(jìn)的建議，計算效率及仿真精度較高，在產(chǎn)品開發(fā)階段有非常優(yōu)越的工程應(yīng)用價值。

變速器箱體；詳細(xì)有限元；強(qiáng)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(jié)構(gòu)，其中所有齒輪、軸與軸承、換擋機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)的質(zhì)量及變速器運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的載荷等都將傳遞到變速器箱體，同時變速器箱體的強(qiáng)度是變速器的承載性能的關(guān)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(biāo)（如NVH性能）的保證需以箱體的剛度達(dá)標(biāo)為前提[1]。因此在產(chǎn)品研發(fā)階段，采用詳細(xì)有限元技術(shù)對變速器箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析是必不可少的環(huán)節(jié)：一方面可獲得變速器箱體在各種極限工況下的最大應(yīng)力及變形，預(yù)先排查結(jié)構(gòu)設(shè)計的強(qiáng)度及剛度薄弱區(qū)域，另一方面可根據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)箱體的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，保證箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計目標(biāo)的同時使得設(shè)計更加符合產(chǎn)業(yè)化的工藝要求[2]?？傊?，通過詳細(xì)有限元分析可以避免變速器箱體在實(shí)際使用中常出現(xiàn)的強(qiáng)度及剛度問題，使箱體重量更輕，結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟(jì)合理，同時也可縮短開發(fā)周期、減少開發(fā)成本。

1、詳細(xì)有限元技術(shù)

采用詳細(xì)有限元分析技術(shù)研究變速器箱體的強(qiáng)度、剛度，主要工作內(nèi)容包含分析對象、輸入?yún)?shù)、受載工況、有限元模型建立、結(jié)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(shù)模格式需轉(zhuǎn)化為實(shí)體，箱體數(shù)模不允許存在破面，3D數(shù)模中各零件的裝配位置需與實(shí)際使用工況保持一致。

1.2 輸入?yún)?shù)

材料參數(shù)：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(shù)如表1所示。

表1 材料機(jī)械性能參數(shù)

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(xì)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(yù)緊力、工作溫度工況；再考慮變速器運(yùn)轉(zhuǎn)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(jìn)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(dǎo)入前處理軟件Hypermesh，進(jìn)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(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為5mm，加強(qiáng)筋部位網(wǎng)格劃3～5層，為保證計算模型收斂性且不產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，網(wǎng)格質(zhì)量檢查tet collapse數(shù)值保證大于0.15，最小網(wǎng)格尺寸保證大于0.35，其余參數(shù)采用軟件默認(rèn)數(shù)值進(jìn)行評價。本次分析變速器箱體網(wǎng)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(jié)點(diǎn)，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(jié)點(diǎn)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(wǎng)格的單元集，便于施加溫度，建立后續(xù)施加螺栓參數(shù)時使用的每個箱體體螺栓孔位置節(jié)點(diǎn)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(yù)緊力控制點(diǎn)的Tag標(biāo)簽。

創(chuàng)建螺栓預(yù)緊力作用面和控制節(jié)點(diǎn)，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(shè)置螺栓與箱體、螺栓與軸承壓板的配合（正值表示間隙負(fù)值表示過盈），螺栓參數(shù)需包含螺旋角、節(jié)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(jié)點(diǎn)建立節(jié)點(diǎn)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(shù)，建模效率得到極大提高。

根據(jù)表1中材料參數(shù)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(yīng)材料屬性[4]。通過constraints約束變速器前箱體與發(fā)動機(jī)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(jié)點(diǎn)集，施加預(yù)緊力18000N到螺栓預(yù)緊力接觸對的控制節(jié)點(diǎn)。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(yù)緊力、溫度115°、軸承載荷，在溫度工況分析之前螺栓長度可調(diào)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(jìn)行控制[3]。輸出變速器箱體變形、應(yīng)力、螺栓受力。全部設(shè)置完畢后導(dǎo)出inp文件到ABAQUS軟件進(jìn)行計算。

2、計算結(jié)果分析

由圖3、4可知，前箱體的最大應(yīng)力為115.7Mpa，后箱體的最大應(yīng)力為83.76Mpa，均小于材料抗拉極限330Mpa，最小安全系數(shù)為330/115.7=2.85，設(shè)計目標(biāo)安全系數(shù)為2，故靜強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

由圖5、6可知，前箱體的最大變形為0.206mm，發(fā)生在輸出一軸軸承座位置，后箱體的最大變形為0.227mm，發(fā)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(wǎng)格單元剛性較大，實(shí)測變形量的數(shù)值通常高于仿真結(jié)果，故仿真時軸承座變形量以0.18mm作為評價標(biāo)準(zhǔn)。此款箱體的軸承座變形均大于評價標(biāo)準(zhǔn)，軸承座變形量數(shù)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(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，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?qū)⒁延薪罴雍竦姆绞教岣咻S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(yù)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(chǎn)生漏油的風(fēng)險。故需增加螺栓個數(shù)，要增加螺栓的區(qū)域見圖7箱體上螺栓13、14位置。

3、結(jié)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?yún)?shù)、工況、建模、結(jié)果輸出等方面介紹詳細(xì)有限元分析技術(shù)，建模細(xì)節(jié)考慮全面，網(wǎng)格質(zhì)量得到保障，計算效率和仿真精度較高，通過分析仿真結(jié)果能提出有效的箱體改進(jìn)方案。因此，詳細(xì)有限元分析技術(shù)有重要的工程應(yīng)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(yè)大學(xué), 2010.

[2] 秦濤. 某UTV變速器嚙合振動及箱體強(qiáng)度分析[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 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(shí)例詳解[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)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(fā)動機(jī)零部件有限公司，主要從事變速器仿真分析研究工作。