定軸式變速箱箱體強(qiáng)度有限元分析

鹿飛

摘 要：目前，定軸式變速箱主要用于平地機(jī)、裝載機(jī)、越野輪胎吊中，當(dāng)車(chē)輛在不同路面上行駛時(shí)，易受到各種振動(dòng)和沖擊，滿(mǎn)載與空載、不同檔位下變速箱各部件受力差異大。因此要求變速箱殼體具備較強(qiáng)的強(qiáng)度滿(mǎn)足不同工況的使用要求。通常變速器殼體設(shè)計(jì)是利用試驗(yàn)臺(tái)架或通過(guò)各種道路試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，但是試驗(yàn)過(guò)程漫長(zhǎng)且耗費(fèi)了大量的人力和物力，影響設(shè)計(jì)進(jìn)度和周期，同時(shí)也會(huì)增加設(shè)計(jì)成本。本工作針對(duì)改進(jìn)后的定軸式變速箱殼體在不同檔位下進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證其強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：定軸式變速箱;有限元分析;載荷

1 有限元模型

該有限元模型包括變速箱殼體（圖1綠色部分）、變矩器殼體（圖1黃色部分）、軸端蓋（圖1白色部分）。綜合考慮計(jì)算的時(shí)間和精度，經(jīng)過(guò)試算，主要研究區(qū)域網(wǎng)格大小為1mm，遠(yuǎn)離受力、接觸和約束區(qū)域的網(wǎng)格大小為5mm較為合理。為了提高網(wǎng)格質(zhì)量方便計(jì)算，建模時(shí)可適當(dāng)對(duì)一些不關(guān)心的特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，如倒角、尖角、螺紋裝飾及各種小孔。螺栓已通過(guò)校核，故變速箱殼體與變矩器殼體，軸承蓋與殼體之間設(shè)置為綁定接觸（Freeze）。殼體使用的材料為灰鑄鐵HT250，材料參數(shù)如下：

彈性模量：1.38e5（MPa），泊松比：0.156，質(zhì)量密度：7.28e-6（kg/mm3），剪切模量：5.98e4（MPa）。

2 邊界條件設(shè)置

根據(jù)變速箱各部件的裝配關(guān)系，在變速箱殼體左右兩側(cè)和變矩器端蓋螺栓連接處施加全約束如圖2所示。

3 載荷的施加

通常變速箱殼體主要承受的載荷是軸承孔處的徑向力和軸向力[1]，變速箱運(yùn)行處于不同檔位，殼體承受的載荷大小和方向各不相同。在變速箱殼體各軸承中，載荷都是通過(guò)軸承外圈或軸承座傳遞的，屬于面上的均布載荷。因此可把徑向載荷轉(zhuǎn)化為均布載荷施加于軸承孔處，軸向載荷可以等效為作用在軸承蓋法蘭面或軸承外圈軸肩上的均布載荷[2]。為了方便，粗略計(jì)算施加徑向力時(shí)可在軸承孔內(nèi)部建立整圓的剛性單元。變速箱的受力來(lái)源軸承受力的計(jì)算結(jié)果。

本次工作首先對(duì)裝載機(jī)變速箱工作時(shí)所有檔位進(jìn)行有限元分析，粗略計(jì)算變速箱殼體的應(yīng)力和變形。針對(duì)應(yīng)力和變形大的檔位重點(diǎn)分析，校核殼體強(qiáng)度。

4 計(jì)算結(jié)果

變速箱殼體為灰鐵鑄件，有最低抗拉強(qiáng)度（250MPa）沒(méi)有屈服強(qiáng)度，強(qiáng)度校核應(yīng)查看最大主應(yīng)力。

通過(guò)分析可知，裝載機(jī)各檔位應(yīng)力最大值在前進(jìn)1檔。對(duì)最大值處進(jìn)行倒角、網(wǎng)格細(xì)化（尺寸1mm）計(jì)算如圖3所示。最大應(yīng)力值為194.2MPa，最大變形量為0.1799mm（X：0.139mm;Y：0.0918mm;Z：0.136mm;），一種極限情況是主機(jī)輪胎抱死工況下，最大渦輪扭矩與離合器極限扭矩較小值作為此工況下的最大允許扭矩，即1980N.m，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。最大應(yīng)力值為205.9MPa，最大變形量為0.216mm（X：0.104mm;Y：0.0762mm;Z：0.203mm;）。均小于250MPa通過(guò)強(qiáng)度校核。

5 討論

從計(jì)算結(jié)果可以看出，網(wǎng)格細(xì)化后應(yīng)力值和變形量所有增大。裝載機(jī)最大應(yīng)力值為194.2MPa，略低于最低抗拉強(qiáng)度，有待改進(jìn)。裝載機(jī)1檔工況網(wǎng)格細(xì)化后應(yīng)力值大幅增加，原因在于出現(xiàn)應(yīng)力集中，軸承孔5左下角和右下角兩處應(yīng)力很大，其他應(yīng)力較?。▓D3）。從變形看，幾種工況最大變形區(qū)域在軸承孔5上方偏左，且X、Z方向變形量大。建議適當(dāng)在變心區(qū)域殼體內(nèi)側(cè)橫向加斜拉筋，增加應(yīng)力值較大區(qū)域筋板的寬度。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫德志，鄭宏遠(yuǎn)，程乃士等.金屬帶式無(wú)級(jí)變速器殼體的強(qiáng)度和剛度分析[J].中國(guó)機(jī)械工程，2007，18（18）：2191-2194.

[2]王望予.汽車(chē)設(shè)計(jì)[M].4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017：16-21.