CAE在自動(dòng)變速器殼體上的應(yīng)用

張兆奎，宋文福，王悅，李曉宇，王君

（哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

CAE在自動(dòng)變速器殼體上的應(yīng)用

張兆奎，宋文福，王悅，李曉宇，王君

（哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

文章自動(dòng)變速器殼體不但承受來自內(nèi)部軸承、制動(dòng)器的作用力，而且受到對(duì)接發(fā)動(dòng)機(jī)和懸置的螺栓軸力，因此對(duì)變速器的承載能力一定的要求。本文采用有限元法建立分析模型，對(duì)自動(dòng)變速器各個(gè)檔位工況進(jìn)行負(fù)荷加載，考察其強(qiáng)度和變形情況，為殼體初始設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

自動(dòng)變速器；有限元分析；ABAQUS

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.030

Application of CAE on case of AT

CLC NO.: U463.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988（2016）11-82-03

引言

眾所周知，變速器是用于轉(zhuǎn)變發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速，來適應(yīng)汽車在停止、起步、加速、行駛、倒車等不同需要。隨著國(guó)內(nèi)變速器的市場(chǎng)份額分化，自動(dòng)變速器占有量不斷加大，在4AT的基礎(chǔ)上，延伸出6AT，甚至8AT及以上的的變速器，不但改善了換擋的平順性，對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性也得到大大的提供。相比MT自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，體積要大，其殼體結(jié)構(gòu)的要求就高，在滿足傳統(tǒng)功能要求下，需要進(jìn)一步優(yōu)化空間尺寸，減少自身重量，增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等。在殼體設(shè)計(jì)方面，只有外觀適應(yīng)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)布置合理，強(qiáng)度耐久性能好，工藝性好，才能在日后細(xì)分市場(chǎng)中具有競(jìng)爭(zhēng)力。

1、分析概況

變速器殼體所承受的力主要有：

1)自身重力，包括內(nèi)部的齒輪油和傳動(dòng)、控制機(jī)構(gòu)等；

2)各檔位下通過軸承和制動(dòng)器反作用在殼體的力；

3)車輛運(yùn)行工況下通過懸置作用在殼體上的力；

4)螺栓連接裝配載荷。

本文考察內(nèi)部載荷對(duì)變速器殼體的作用，傳統(tǒng)的MT，變速器殼體受力僅在軸承外圈對(duì)殼體的作用力。而AT還包括在離合器及油壓的對(duì)殼體作用力，一般在情況，殼體在某一檔位所受到的力是固定的，可以通過軟件ROMAX計(jì)算得到，施加到變速器殼體上。在通過有限元軟件ABAQUS計(jì)算出變速器殼體變形和應(yīng)力分布，最后判斷該變速器殼體是否滿足設(shè)計(jì)要求。

1.1 分析模型

分析模型包括變速器殼體、變矩器殼體、后端蓋、油泵、中間支撐、閥體殼，如圖1。

圖1　CAD裝配模型

零件之間實(shí)際上是通過螺栓聯(lián)接，可采用摩擦接觸和tie接觸，對(duì)螺栓施加預(yù)緊力來保證兩個(gè)零件的鏈接，如圖2。

圖2　螺栓連接示意圖

賦予各個(gè)零部件的材料屬性，變速器、變矩器殼體、后端蓋、閥體殼為鋁合金材料，中間支撐為鋼，油泵為鑄鐵。其材料參數(shù)如下：

表1　材料特性

1.2邊界條件與分析載荷

圖3　邊界約束

變速器通過螺栓連接到發(fā)動(dòng)機(jī)的端面全約束，即三個(gè)方向上的位移為零。變速器殼體與車架通過懸置進(jìn)行連接，賦予連接點(diǎn)處定值剛度K，如圖3。本文僅計(jì)算來自變速器傳遞扭矩時(shí)軸承、離合器、高壓油的內(nèi)部負(fù)載，不考慮軸的變形和軸承剛度的影響。因此，可以用變速器設(shè)計(jì)軟件ROMAX搭建系統(tǒng)模型，計(jì)算出某一檔位作用在軸承孔的軸向、切向、徑向作用力，并通過耦合連接到作用方向?qū)?yīng)孔的半圓柱上，離合器采用施加扭矩實(shí)現(xiàn)，油壓在油路內(nèi)表面施加面壓實(shí)現(xiàn)。

2、分析計(jì)算

在軟件ABAQUS中針對(duì)變速器殼體分析設(shè)置三個(gè)分析步：在初始分析步施加邊界條件和定義接觸連接；在第一個(gè)分析步加載螺栓力，并保證接觸有效建立；第二個(gè)分析步保持螺栓固定長(zhǎng)度；第三個(gè)分析步施加軸承、離合器、油壓等一檔工況下的作用力。

在提交計(jì)算之前，要對(duì)模型網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行控制，一般情況下，在ABAQUS中變速器殼類零件采用C3D10M網(wǎng)格類型，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)量會(huì)很大，應(yīng)根據(jù)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存和CPU核數(shù)適當(dāng)控制。

確定各參數(shù)設(shè)定完成后，即可進(jìn)入ABAQUS的求解器進(jìn)行計(jì)算。

3、分析結(jié)果

3.1變、離殼應(yīng)力結(jié)果

通過計(jì)算可得變速器變殼綜合應(yīng)力分布結(jié)果如圖4所示，其局部應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度180MPa，其位置在變殼外部輸出軸軸承孔外緣加強(qiáng)筋處，可增大加強(qiáng)筋相交處的弧度來改善該處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

變速器離殼綜合應(yīng)力分布結(jié)果如圖5所示，其局部應(yīng)力略大于屈服強(qiáng)度，修改斜筋底部的弧度，即可得到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的改善。

圖4　變殼應(yīng)力分布

圖5　離殼應(yīng)力分布

3.2其它件應(yīng)力結(jié)果

油泵殼體和后端蓋應(yīng)力分布如圖6，其應(yīng)力值均低于屈服強(qiáng)度值，且大部分區(qū)域應(yīng)力值低于100MPa，應(yīng)力儲(chǔ)備空間較大。

圖6　油泵殼與后端蓋應(yīng)力分布

中間支撐件的應(yīng)力分布如圖7，其應(yīng)力值遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度550MPa。

圖7　中間支撐應(yīng)力分布

3.3變形結(jié)果

變殼最大變形量為0.5mm，所處位置在輸出軸軸承孔內(nèi)側(cè)，如圖8。

圖8　變殼的變形結(jié)果

離殼最大變形量0.27mm，發(fā)生在中間軸軸承內(nèi)側(cè)，如圖9。

圖9　離殼的變形結(jié)果

4、結(jié)論

1）模擬結(jié)果中除了變殼和離殼局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力值超過屈服，其它均滿足要求；

2）在超過屈服處適當(dāng)改善后，變速器可以滿足工程要求，并且在高強(qiáng)度處還存在可優(yōu)化空間。

[1]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.

[2]徐向陽.劉艷芳,姬芬竹,王書翰.自動(dòng)變速器技術(shù)[M].北京：人民交通出版社,2011.

Zhang Zhaokui, Song Wenfu, Wang Yue, Li Xiaoyu, Wang Jun
（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

The case of the automatic transmission is not only bearing the force from the internal bearing and brake, but also the bolt axial force, which is affected by the engine and suspension. So the case must need demand of work load.In this paper, the finite element method is used to establish the analysis model, and the load of each gear of the automatic transmission is carried out, and the strength and deformation of the gearbox are investigated.

AT; FEA; ABAQUS

U463.7 文獻(xiàn)表示碼：A

1671-7988（2016）11-82-03

張兆奎（1978-），男，工程師，學(xué)歷碩士。就職于哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司。研究方向發(fā)動(dòng)機(jī)、自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)CAE分析方面。