基于ANSYS的新能源變速器殼體優(yōu)化設(shè)計研究

摘 要：隨著新能源電動汽車驅(qū)動電機高速化與集成化的發(fā)展，對新能源變速器殼體的輕量化及低噪聲輻射也提出了新的設(shè)計需求。結(jié)合經(jīng)典力學(xué)理論和有限元分析理論，以某新能源電動汽車變速器殼體為研究對象，運用ANSYS workbench分析工具對優(yōu)化設(shè)計后的變速器殼體進(jìn)行自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析，以確定變速器殼體各階頻率下的固有頻率及其振動變化趨勢。仿真分析結(jié)果表明，在自由模態(tài)分析下該研究設(shè)計的變速器殼體的固有頻率接近于0Hz，在約束模態(tài)分析下該研究設(shè)計的變速器殼體的固有頻率大于643Hz。仿真分析結(jié)果說明了優(yōu)化設(shè)計后變速器殼體的固有頻率可以有效避開齒輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的沖擊振動頻率，滿足產(chǎn)品設(shè)計的要求。本研究的過程與方法可為后續(xù)變速器殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供重要參考。

關(guān)鍵詞：變速器 ANSYS 模態(tài)分析 優(yōu)化設(shè)計

變速器殼體一方面對旋轉(zhuǎn)齒輪副起支撐和固定作用，另一方面也負(fù)責(zé)固定驅(qū)動電機等動力源元件。隨著新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)集成化和輕量化的設(shè)計需求，轉(zhuǎn)速達(dá)到20000rpm的驅(qū)動電機對于變速器殼體的振動激勵作用越發(fā)明顯。因此，在變速器殼體投入制造前，即在設(shè)計階段進(jìn)行模態(tài)仿真分析，確定殼體的振動趨勢，對變速器總成實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，并降低總成振動輻射，進(jìn)而減少后期的制造試錯成本具有重要的現(xiàn)實意義。

在已有的變速器殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究方面，國內(nèi)外學(xué)者從設(shè)計、仿真分析及測試等不同維度進(jìn)行了深入的研究。莫艷芳等[1]運用有限元方法對輕量化設(shè)計的裝載機變速器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并結(jié)合臺架及整機耐久驗證設(shè)計可行性。楊澤宇等[2]則運用有限元方法對電驅(qū)動減速器殼體的加強筋的尺寸、分布及數(shù)量等優(yōu)化設(shè)計與分析。吳榮華等[3]結(jié)合應(yīng)力分析和模態(tài)分析方法，對殼體實施輕量化設(shè)計，減重達(dá)到12.5%。時松青等[4]則通過錘擊法對變速器殼體進(jìn)行模態(tài)試驗，驗證不同附加治理對殼體模態(tài)的作用。王毅等[5]則研究軸承動態(tài)力對變速器殼體振動特性的作用，并運用模態(tài)參與因子法（MPF）識別各階次殼體振動貢獻(xiàn)作用。袁勃等[6]運用強度分析和模態(tài)分析方法，通過殼體加強筋與圓角過渡設(shè)計提升了殼體的強度及一階模態(tài)頻率。

綜上所述，高校學(xué)者及工程技術(shù)人員對于變速器殼體振動優(yōu)化設(shè)計已經(jīng)開展多視角的深入的研究與分析。本研究以新能源變速器殼體為研究對象，以經(jīng)典力學(xué)理論為基礎(chǔ)，完成變速器殼體的三維模型設(shè)計；運用ANSYS軟件workbench模塊搭建變速器殼體的有限元模型，并計算變速器殼體的前6階次的自由模態(tài)和約束模態(tài)，得到各階次下的固有頻率和振型，為判定殼體優(yōu)化設(shè)計方案提供數(shù)據(jù)支撐。

1 變速器殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本研究的變速器殼體由兩部分組成，分別是連接驅(qū)動電機側(cè)殼體及齒輪側(cè)殼體。同時，本研究運用Creo三維模型軟件分別對殼體進(jìn)行詳細(xì)的三維造型設(shè)計，以滿足總成裝配需求，分析結(jié)論能較好體現(xiàn)殼體的動態(tài)振型，進(jìn)而保證仿真分析結(jié)果的可靠性。根據(jù)傳動齒輪結(jié)構(gòu)布置以及電機連接要求完成初步概念三維模型，如圖1所示；第二步進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，增加殼體加強筋、安裝孔及圓角過渡等設(shè)計，如圖2所示。

2 殼體仿真分析

變速器殼體的固有頻率和振型對于電驅(qū)動系統(tǒng)總成的振動和噪音具有重要影響，因此國內(nèi)外學(xué)者都通過模態(tài)分析的方法求解殼體的固有特征，以避免變速器總成工作過程中產(chǎn)生共振，進(jìn)而造成的噪聲及破壞。模態(tài)仿真分析可分為自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析。自由模態(tài)分析是對處于自由邊界的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，此時被分析的結(jié)構(gòu)未受到任何位移約束。自由模態(tài)分析結(jié)果可能會得到固有頻率為0的模態(tài)，稱為剛體模態(tài)。約束模態(tài)分析是在被分析結(jié)構(gòu)受到位移約束的情況下進(jìn)行的模態(tài)分析。首先，本研究利用ANSYS軟件workbench模塊對優(yōu)化后的變速器殼體進(jìn)行自由模態(tài)仿真分析，以驗證變速器殼體有限元模型的合理性；其次，對變速器殼體有限元模型進(jìn)行約束模態(tài)仿真分析，獲取實際裝配條件下變速器殼體的動態(tài)振型。

2.1 有限元模型構(gòu)建

新能源汽車變速器殼體常用的殼體材料為ADC12，其彈性模量為70GPa，泊松比為0.33。本研究將Creo三維模型軟件造型的變速器殼體數(shù)模導(dǎo)入ANSYS軟件workbench模塊下的model仿真分析中，并賦予材料屬性，進(jìn)而進(jìn)行模型的網(wǎng)格劃分，完成了ANSYS軟件workbench模塊下仿真模型的搭建。

2.2 自由模態(tài)分析

本研究運用ANSYS軟件workbench模塊對優(yōu)化后的變速器殼體進(jìn)行自由模態(tài)仿真分析，前6階固有頻率結(jié)果如表1所示。同時，該殼體的前6階的振型結(jié)果如圖3所示。由表1可知，該變速器殼體總成前三階次的固定頻率皆為0，其他4、5、6階次的頻率也較低。但是前4階振型的殼體變形量較大，變形量在0.11以上，最大達(dá)到0.17m；第5階的殼體變形量最大達(dá)到了0.22m，位置在右側(cè)支座安裝處；第6階的殼體變形量最大達(dá)到了0.22m，位置在左側(cè)支座安裝及右側(cè)底座安裝處。

2.3 約束模態(tài)分析

變速器殼體在實際整機裝配過程中，分別在左右兩側(cè)及底部通過螺栓和車架連接，建立的約束模態(tài)分析如圖4所示。本研究運用ANSYS軟件workbench模塊對優(yōu)化后的變速器殼體進(jìn)行約束模態(tài)仿真分析，前6階固有頻率結(jié)果如表2所示。同時，該殼體的前6階的振型結(jié)果如圖5所示。第1階次的固定頻率為643Hz，最大變形量為0.47m，位置在軸承孔的連接中心處；第2階次的固定頻率為689Hz，最大變形量為0.54m，位置在軸承孔的連接中心處；第3階次的固定頻率為865Hz，最大變形量為0.26m，位置在輸出軸承孔的左側(cè)；第4階次的固定頻率為927Hz，最大變形量為0.31m，位置在輸出軸承孔的左側(cè)；第5階次的固定頻率為1089Hz，最大變形量為0.19m，位置在輸出軸承孔的左側(cè)；第6階次的固定頻率為1225Hz，最大變形量為0.32m，位置在輸出軸承孔邊?，F(xiàn)有新能源電動汽車的電機轉(zhuǎn)速范圍在10000轉(zhuǎn)左右，其激振頻率在0～160Hz間；而懸置產(chǎn)生的激振頻率在7～15Hz間。因此該研究設(shè)計的變速器殼體的各階次固有頻率均在驅(qū)動電機共振頻率之外，可有效地避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

3 結(jié)論

本研究在Creo軟件中搭建和優(yōu)化變速器殼體三維模型，并在ANSYS軟件中建立有限元模型并進(jìn)行自由模態(tài)和約束模態(tài)仿真分析，獲得殼體前6階次的固有頻率及振型。由仿真結(jié)果可知，在自由模態(tài)分析下該研究設(shè)計的變速器殼體的固有頻率遠(yuǎn)小于電機及懸置產(chǎn)生的激振頻率，在約束模態(tài)分析下該研究設(shè)計的變速器殼體的固有頻率大于電機及懸置產(chǎn)生的激振頻率，仿真分析結(jié)果證明該研究設(shè)計的變速器殼體能滿足整車動態(tài)特性的要求。本研究可為新能源變速器殼體開發(fā)提供參考及啟示。

基金項目：2024年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目，《基于多影響因子耦合的電驅(qū)變速器NVH研究及優(yōu)化》（2024KY1273）。

參考文獻(xiàn)：

[1]莫艷芳，徐強，鄢萬斌，等.基于有限元分析的變速器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及輕量化設(shè)計[J].建設(shè)機械技術(shù)與管理，2022，35（02）：79-81.

[2]楊澤宇，白學(xué)斌，包軒銘，等.基于有限元分析的減速器殼體加強筋優(yōu)化設(shè)計方法[J].傳動技術(shù)，2024，38（02）：19-26.

[3]吳榮華，汪滋潤，李小建，等.某輕卡變速器殼體深度輕量化設(shè)計[J].汽車零部件，2022（03）：36-42.

[4]時松青，徐傳燕，慈長凱，等.附加質(zhì)量對變速器殼體模態(tài)的影響[J].山東交通學(xué)院學(xué)報，2024，32（01）：1-6.

[5]王毅，陳勇，代青林，等.純電動汽車兩擋自動變速器殼體振動特性研究[J].機械傳動，2023，47（09）：81-88.

[6]袁勃，孟慶振，梅少龍.基于CAE分析的新能源減速器殼體優(yōu)化設(shè)計[J].安徽科技，2020（10）：51-53.