HMCVT箱體輕量化措施

郭麗君　張曉剛

摘要：基于HMCVT的工作原理及主要特點，使用ANSYS工作臺對HMCVT進行靜態(tài)分析，探討使HMCVT箱體輕量化的措施和方法，為減少能源消耗和改善輛的整體性能提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：HMCVT；輕量化；ANSYS；材料

中圖分類號：TH137 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2019）02-0052-02

傳動系統(tǒng)是影響車輛性能、工作效率和能效的主要因素，好的傳動系統(tǒng)可顯著改善車輛的整體性能。農(nóng)業(yè)機械、工作機械等能源需求龐大，工作環(huán)境復(fù)雜，必須適應(yīng)不斷變化的外部載荷，對傳動系統(tǒng)的要求較高。無級變速液壓機械傳動（HMCVT）結(jié)合純液壓傳動和純機械傳動的優(yōu)點，可提高車輛的整體性能和燃油效率，改善液壓機械的綜合性能。因此越來越多的車輛使用液壓機械傳動系統(tǒng)，以減少能源消耗和改善操作環(huán)境。

1 HMCVT的原理及特點

1.1 原理和結(jié)構(gòu)組成

HMCVT是基于17世紀(jì)中葉提出的靜壓傳動原理的新型變速箱，其驅(qū)動系統(tǒng)分為液壓系統(tǒng)和機械系統(tǒng)2部分。液壓系統(tǒng)主要由泵和電機組成；機械系統(tǒng)主要由機械傳動部分組成。發(fā)動機輸送的動力流被分成2個路徑：一條路徑由液壓系統(tǒng)傳輸，另一條路徑由機械系統(tǒng)傳輸。最后，通過總線機構(gòu)將動力組合并輸送到后傳動部件。

HMCVT結(jié)合高液壓動力傳動、無級變速和高機械效率的優(yōu)點，有效利用發(fā)動機動力。液壓機械傳動采用分流和匯流機構(gòu)，因此可根據(jù)力分布和匯流的形狀對液壓機械傳動進行分類。在加工技術(shù)和成本方面，分流機構(gòu)大多是固定軸型，而匯流型主要是行星式。

1.2 性能特點

1.2.1 傳輸效率高 液壓機械無級變速系統(tǒng)結(jié)合機械傳動和液壓傳動的優(yōu)點，機械傳動部件傳動效率高，液壓傳動部件傳動能力高。機械式無級變速器傳動功率大，傳動效率高。與傳統(tǒng)的機械傳動相比，其傳動功率加倍，效率約提高30%。

1.2.2 自動無級變速 液壓和機械裝置的結(jié)合，允許基于無級機械速度的無級變速，使車輛更安靜。傳動系統(tǒng)通過改變變量泵排量實現(xiàn)自動變速，提高工作效率，降低駕駛員的駕駛強度。

2 機械液壓無級變速箱輕量化

2.1 輕量化設(shè)計的重要性

隨著液壓機械無級變速器的逐步發(fā)展和應(yīng)用，輕量化結(jié)構(gòu)成為汽車工業(yè)發(fā)展趨勢。經(jīng)過長時間的開發(fā)，車輛的能源效率有所提高，但仍只有20%～30%。車輛采用一定的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)后，底盤質(zhì)量相對較低，不均勻性減弱。因此，在駕駛過程中車身更加穩(wěn)定，發(fā)生撞擊時產(chǎn)生的能量易被消除，有效提高車輛的安全性。

2.2 箱體優(yōu)化措施

2.2.1 控制柜優(yōu)化 假設(shè)整體結(jié)構(gòu)保持不變并且通過輕量化實現(xiàn)目標(biāo)，優(yōu)化方法主要是減小壁厚并局部增加加強肋。即在加強肋下方使軸承孔和肋條上的加強筋設(shè)計內(nèi)表面。

2.2.2 布局優(yōu)化 為實現(xiàn)動能傳輸，布局設(shè)計至關(guān)重要。扭矩相同但結(jié)構(gòu)不同的軸承齒輪箱，其組件的質(zhì)量變化可達25%以上。承載約300 Nm輸入扭矩的齒輪箱，在液壓機械無級變速箱總長度滿足空間要求的條件下，可使用雙軸布置獲得最小質(zhì)量。

2.2.3 材料優(yōu)化 粉末冶金和粉末冶金成型技術(shù)適用于復(fù)雜構(gòu)件的成型。隨著粉末冶金技術(shù)的進一步發(fā)展，越來越多的鋼件用粉末冶金材料來代替。除顯著降低加工成本外，粉末冶金成型還可減輕零件質(zhì)量11.5%左右。為實現(xiàn)輕松轉(zhuǎn)移，越來越多地使用鋁合金代替鋼。

鋁合金材料的密度為2.7 g/cm3，而碳鋼材料的密度為7.85 g/cm3，等體積的鋁鋼可使零件質(zhì)量減少到原來的1/3。考慮精度要求，非應(yīng)力部件可選用非金屬材料，例如尼龍。用其代替鋼，質(zhì)量僅為原鋼質(zhì)量的1/7。

2.2.4 扭矩限制技術(shù)優(yōu)化 對于車輛而言，輪胎與地面之間的摩擦力是牽引力的上限。如果超出范圍，輪胎會打滑并松開。工作過程中，從動輪的軸載受到限制，且輪胎與地面之間的摩擦力通常小于發(fā)動機低速時轉(zhuǎn)移到輪胎的牽引力。因此，發(fā)動機低檔扭矩通常不影響車輛的加速動力學(xué)和俯仰。扭矩限制技術(shù)的應(yīng)用，可使車輛傳動更緊湊，從而減輕變速箱的質(zhì)量。

3 應(yīng)用ANSYS Workbench改進箱體

用有限元工作站進行后續(xù)數(shù)據(jù)分析時，將控制柜的3D組件直接從Pro/E讀入ANSYS Workbench，ANSYS Workbench軟件自動檢測所有接觸面。確定接觸區(qū)域、接觸類型、聯(lián)系方式等后，變速箱殼體觸點全部設(shè)置為粘合觸點。

后處理是ANSYS Workbench軟件中最重要的部分，可顯示計算結(jié)果。通過評估計算結(jié)果進一步優(yōu)化數(shù)學(xué)3D模型。ANSYS Workbench的通用后處理器提供強大的后處理功能，包括頻率列表、振動動畫、應(yīng)力變化、應(yīng)變量和橫截面視圖。

使用ANSYS工作臺對HMCVT虛擬裝配的模型結(jié)構(gòu)中的箱體進行靜態(tài)分析，確定箱體的優(yōu)化方案，在完成改進后進行檢測，優(yōu)化前后HMCVT箱在各個方向上的最大變形量如圖1所示。

與結(jié)構(gòu)改進前相比，變形量減小，位移變形總體上相對較小，并具有相當(dāng)大的安全裕度。分析表明，通過減小壁厚來實現(xiàn)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，并通過增加軌道加固改善結(jié)構(gòu)強度的改進措施是有效的。

4 結(jié)論

傳動系統(tǒng)決定車輛的性能、工作效率和能效，因此HMCVT輕量化設(shè)計勢在必行。HMCVT能夠提高機械效率和能量利用率，使車輛具備良好的性能。因此今后應(yīng)開展更多的相關(guān)研究，使機械設(shè)備具有更加優(yōu)良的性能。

參考文獻

[1] 李娟玲，劉連濤，肖茂華，等.液壓機械無級變速箱動態(tài)特性研究[J].機械強度，2017（1）：14-19.

[2] 梁啟萌.等比式液壓機械無級變速箱的設(shè)計與仿真研究[J].工程技術(shù)研究，2017（6）：118-119.

[3] 王光明.拖拉機液壓機械無級變速箱的特性、控制與故障診斷研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.