某商用車變速器殼體拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計研究

楊 森，王良模，夏漢關(guān)，董 義，王耀祖

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

(2.江蘇太平洋精鍛科技股份有限公司，江蘇 泰州 225500)

汽車變速器是汽車傳動系統(tǒng)的重要部件，它直接影響著汽車的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、舒適性和操縱性、可靠性等現(xiàn)代汽車的重要性能，是決定汽車品質(zhì)的重要因素之一，因此汽車變速器的設(shè)計成為汽車制造商、汽車零部件供應(yīng)商的重點(diǎn)工作之一[1]。變速器殼體作為安裝、保護(hù)變速器所有零件的機(jī)構(gòu)，是保證在各種工作狀態(tài)下，吸收工作時的作用力和力矩，保持軸和齒輪具有精確的相對位置的基礎(chǔ)。在變速器工作過程中，殼體承受來自變速器傳動部件較大的力和力矩，這就要求汽車變速器殼體具有較好的剛強(qiáng)度，以保證變速器傳動精度，降低由齒輪傳動精度不足而引起的振動、沖擊和噪聲，提高齒輪疲勞壽命等。提高剛強(qiáng)度通常是通過加大殼體厚度及在關(guān)鍵部位設(shè)計加強(qiáng)筋來實現(xiàn)的，但這增加了變速器殼體的自重，進(jìn)而增加汽車的整備質(zhì)量，與節(jié)能減排的目標(biāo)不符[2]。因此，變速器殼體的優(yōu)化設(shè)計至關(guān)重要。

實現(xiàn)汽車輕量化主要有兩種方法：一是采用如鎂、鋁、陶瓷、塑料、玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料等輕質(zhì)材料達(dá)到減重目的；二是從結(jié)構(gòu)出發(fā)，采用有限元分析、局部加強(qiáng)設(shè)計等計算機(jī)輔助手段，在保證剛強(qiáng)度以及使用壽命滿足設(shè)計要求的前提下對結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計，實現(xiàn)輕量化。因此，本文借助不斷成熟的CAE技術(shù)，以有限元理論為基礎(chǔ)，對變速器殼體進(jìn)行局部拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計并計算優(yōu)化前后變速器殼體強(qiáng)度。

1 邊界條件及載荷的施加

為了進(jìn)行變速器殼體的有限元靜力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計，需確定其邊界條件及工作載荷。

1.1 邊界條件

本文中離合器鐘形殼通過凸緣安裝在變速器殼體上，同時為減少殼體的撓度，在中間殼體上為其提供了額外的支承點(diǎn)，變速器殼體另一端與變速器后蓋相連。故分別約束離合器鐘形殼、變速器殼體支撐點(diǎn)以及變速器后蓋上與外界相連的螺栓孔的沿x，y，z軸的平動自由度和繞x，y，z軸的轉(zhuǎn)動自由度[3-4]。變速器殼體約束如圖1所示。

1.2 載荷的施加

變速器正常工作時，殼體受到的激勵主要來自變速器內(nèi)部齒輪和軸對它的作用。假設(shè)正常工作時來自內(nèi)部的激勵全部通過軸承1～5對應(yīng)的惰輪軸軸承、一軸右端軸承、中間軸左右兩軸承、二軸左端軸承傳遞給殼體。本文通過專業(yè)齒輪箱軟件仿真出各軸承處的受載情況，表1給出了變速器Ⅰ擋工況下各承載處所受力及力矩大小，Ⅱ擋、R擋限于篇幅不在本文中列出(軸承1(惰輪軸軸承)的工況數(shù)據(jù)相比于其他4個軸承的參數(shù)要小得多，本文忽略)。在此，通過Hypermesh中柔性單元rbe3將這些載荷等效分布在軸承孔表面各節(jié)點(diǎn)處，以此為輸入對變速器殼體進(jìn)行靜力學(xué)分析。載荷施加位置如圖2所示。

圖1 變速器殼體邊界條件

表1 變速器Ⅰ擋工況載荷

圖2 變速器殼體加載位置

2 變速器殼體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

2.1 設(shè)計變量

本文在建立變速器殼體拓?fù)鋬?yōu)化模型的時候，以優(yōu)化區(qū)域單元密度為設(shè)計變量?？紤]計算成本問題，單元總數(shù)量應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。

2.2 目標(biāo)函數(shù)

本文對變速器殼體進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計時選取加權(quán)應(yīng)變能(weighted compliance)為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。加權(quán)應(yīng)變能是在典型的拓?fù)鋬?yōu)化中用于考慮多個子工況(載荷步、載荷工況)的一種方法[5]。該響應(yīng)是每個子工況(載荷步、載荷工況)應(yīng)變能的加權(quán)和，即

(1)

2.3 優(yōu)化區(qū)域及非優(yōu)化區(qū)域

對于殼體結(jié)構(gòu)的一些重要部位，如加載部位、約束處和螺栓連接處等在優(yōu)化過程中均不能改變其特征，因此殼體結(jié)構(gòu)中與上蓋相配合的表面、起支撐軸承作用的軸承孔以及與過渡殼相連接的螺栓孔、安裝撥叉軸的軸孔等關(guān)鍵部位[6]在本次拓?fù)鋬?yōu)化中將其設(shè)置為非優(yōu)化區(qū)域，其余區(qū)域均為優(yōu)化區(qū)域。如圖3所示，其中淺色區(qū)域為優(yōu)化區(qū)域，深色區(qū)域為非優(yōu)化區(qū)域。

圖3 變速器殼體拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域及非優(yōu)化區(qū)域設(shè)置

2.4 載荷工況

在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，為保證結(jié)構(gòu)使用的安全，應(yīng)充分考慮其在工作期間所承受的載荷情況，選取典型工況作為拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計的一個工況，并分別設(shè)置好每個工況的權(quán)重系數(shù)后，可進(jìn)行多工況下的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計。本文中Ⅰ擋、Ⅱ擋和R擋為3種典型工況，根據(jù)殼體結(jié)構(gòu)在每個擋位的受力大小，在靜力學(xué)剛度優(yōu)化中分別設(shè)置其權(quán)重系數(shù)為0.5，0.2，0.3，并以殼體結(jié)構(gòu)加權(quán)應(yīng)變能最小為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行多工況下的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計。

3 變速器殼體拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計結(jié)果

對于殼體結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)剛度優(yōu)化，在OptiStruct中對箱體進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化計算，如圖4所示，經(jīng)過4次迭代后收斂，達(dá)到最小值(即殼體的加權(quán)應(yīng)變能最小)。

圖5為殼體不同部分迭代收斂后的密度分布云圖。圖5(a)、(c)中淺色和圖5(b)、(d)中深色部分表示單元密度值為1，該處單元為載荷傳遞需要經(jīng)過的路徑，因而需要充實更多的實體材料，即此處需要增加加強(qiáng)筋或增加殼體厚度；圖5(a)、(c)中深色和圖5(b)、(d)中淺色部分表示單元密度值為0，可認(rèn)為該處單元沒有實體材料，且該處不是載荷傳遞要經(jīng)過的路徑，因而很少承受力的作用，可減少材料在此處的分布。從優(yōu)化結(jié)果可以看出，變速器殼體A、B兩部分接觸的法蘭面材料有堆積，在后續(xù)設(shè)計中可以適當(dāng)減小此處厚度，另外殼體B上有加強(qiáng)筋，可以做尺寸上的優(yōu)化。

圖4 變速器殼體拓?fù)鋬?yōu)化柔度收斂曲線

圖5 拓?fù)鋬?yōu)化密度云圖

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對變速器殼體原始模型進(jìn)行局部優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化前后變速器殼體模型體積及各工況最大應(yīng)力情況見表2。

表2 變速器殼體優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比

由表2可知，優(yōu)化后變速器殼體A、B體積分別減少了6.45%和4.56%，同時Ⅰ擋、Ⅱ擋、R擋3種工況下變速器殼體A最大應(yīng)力最多減少6.61%，變速器殼體B最大應(yīng)力最多減少13.78%，變速器殼體最大應(yīng)力明顯得到優(yōu)化，應(yīng)力集中區(qū)域有縮小趨勢。

4 結(jié)束語

本文以變速器殼體的體積為約束條件、以結(jié)構(gòu)最小加權(quán)應(yīng)變能為目標(biāo)，選取Ⅰ擋、Ⅱ擋、R擋3種典型工況對變速器殼體進(jìn)行多工況聯(lián)合拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計。優(yōu)化結(jié)果表明，本次優(yōu)化在滿足強(qiáng)度要求的同時實現(xiàn)了變速器殼體的輕量化設(shè)計。同時，因為靜力學(xué)分析時，對殼體的載荷施加做了簡化處理，所以后續(xù)研究將考慮軸承及軸承孔之間載荷的傳遞方式，獲得承載部位更精確的應(yīng)力分析結(jié)果。