（机械电子工程专业论文）装载机定轴变速器总成及箱体性能分析与优化关键技术.pdf

摘要 摘要 近年来国外装载机及国内高配置的装载机传动系方面的发展趋势是变速器 大多为电液控制动力换档定轴式变速器，其可靠性高、寿命长、通用性好。然而 其高端技术和市场目前均为国外企业所垄断，国内只是对国外变速器进行简单的 仿制，且制造出的变速器达不到原变速器的性能。为了避免设计的盲目性，并为 新变速器的设计提供指导，本文利用有限元和模态试验技术对某型号定轴变速器 进行静动态特性分析，并对变速器箱体进行了优化设计。 首先，利用a n s y sw r o r k b e n c h 建立了变速器箱体的有限元模型，之后对其 进行静力分析和自由模态分析；为了验证有限元模型的有效性，进一步对箱体进 行了模态试验；用之前的有限元自由模态分析得到的模态参数来指导模态试验参 数设置，并用m e s c o p e 对试验数据进行处理得到箱体的试验模态参数；有限元 模态参数和模态试验模态参数吻合，证明了所得模态参数的正确性和有限元模型 的有效性。 其次，为了更准确的评价变速器的动态特性，必须将实际工作中各零部件间 的影响考虑在内，因此利用a n s y sw o r k b e n c h 建立了变速器总成的有限元模型， 提取出变速器总成前四后三共七个档位的固有频率和振型；提出了利用变速器载 荷谱计算齿轮啮合频率的方法；对比齿轮啮合频率和变速器固有频率，并结合实 际使用条件，结果显示变速器的动态特性良好，与实际相符。 最后，结合变速器箱体的结构特征提出了分块优化的方法。对每块进行有限 元静力和模态分析，之后以分析结果为约束、以体积最小化为目标，利用 o p t i s 眦t 建立其拓扑优化模型；根据拓扑优化后的密度云图，建立其实体模型， 并进行有限元分析；分析结果和原结构的分析结果相似，证明了优化结果的合理 性。之后根据每块的优化结果建立新箱体的实体模型，并利用a n a s y s w 6 r k b e n c h 建立新箱体的有限元模型，对其进行静力和模态分析；对比新箱体和 原箱体的分析结果，可知两种结构的性能是相似的，证明了箱体优化的合理性。 关键词：定轴变速器，箱体，有限元，拓扑优化 a b s l r a c t a b s t r a c t i i lr e c e n ty e a r s ，t l l ee l e c t r o - h y 咖l i cc o n t r o lp o w e rs b j rf i x e da x i s 吣1 1 1 i s s i o n i sr e g a r d e d 私t 1 1 ed e v e l o p m e n tt i n do fd r i v d i r l ef o rt l l ef o r e i g nl o a d e r s 锄dd o m e s t i c h i g h e n dc o l l f i g u r a t i o nl o a d e r s ，d u et 0i t sh i 曲r e l i a b i i i 吼i o n gl i 诧a i l dg o o dv e r s a t i l i 何 n e v e n h e l e s s ， 1 l i 曲- e n dt e c t l i l 0 1 0 9 ) r 锄d m a r k e t sa r em o n o p 0 1 i z e d b yf o r e i 盟 e n t e l 面s e s ，锄dd o m e s t i c i s s i o ni so m yas i i n p l e i i n j t a t i o no ff o r e i g i l 把a i l s m i s s i o n b u tm ep e r f l o m a n c eo ft m s m i s s i o nb ec r e a t e di nt h i sw a yi sn o t 嬲 9 0 0 d 硒t h eo r i g i n a l i no r d e rt 0a v o i dt l l e b l i n d i l e s so ft l l ed e s i 弘锄dp r o v i d e g u i d a l c ef o rt l l ed e s i g no ft h en e wt 砌s m i s s i o m 觚t ce l e m e n tm e t h o da 1 1 dm o d a lt e s t t e c h i l i q u ew e r eu s e dt 0a n a l y z e s t a t i ca n dd y n 锄i cp e r f i o r m a n c e so fat y p eo f t r a n s m i s s i o n ，a n dt r a n s i l l j s s i o nb o xw 鹤o p t i m i z e d f i r 瓯af i i l i t ee 1 锄e n tm o d e lo ft h et r a l l s m i s s i 叽b o xw 蠲e s t a b l i s h e db yu s i n g a n s y sw b r k b e n c h ，a n di t ss t a t i ca l l dm o d a la n a l y s i sw e r ec a 玎i e do u t i l lo r d e rt 0 v e r i 匆m ev a l i d i t ) ro ft l l ef i i l i t ee l e r n e n tm o d e l ，m o d a lt e s t i n gw 弱e x e c u t e d t h ef e m m o d a lp 啪e t e r sp r o v i d e dar e f e r e n c ef o rs e t t i i l gt l l em o d a lt e s tp 锄吼e t e r s 锄d e x p e r i m e m a lm o d a lp 牡a m e t e r s 、e r ee x 仃a c t e db yu s i n gm e s c o p e t h er e s u l t so ff i n i t e c l e m e n tm o d e la l l a l y s i sw e r ec o i l s i s t e n tw i t l lt h em o d a lt e s tr e s u l t s ，州c hp r 0 v e dt l l e c o r r e c t i l e s so ft h er e s u l t s 锄du 1 ev a l i d i t ) ro ff i l l i t ee l e m e n tm o d e l s e c o n d l y ，i no r d e rt oe v a l u a t e 也ed y 髓1 1 1 i cp e r f o 衄a 1 1 c eo fn l et r a i i s m i s s i o nm o r e a c c 啾l y ，t h ei i l l p a c tb e t 、i 阳e nt h ev 蜀l r i o u sp a r t so f t h ea c t u mw o r km u s tb e 绌e ni n t 0 a c c o 吼t ，s 0af i i l i t ee l e m e n tm o d e lo ft h e 仃a n s m i s s i o na s s e m b l yw 硒c r e a t e db y a n s y sw b r k b e n c h ，a n dt 1 1 en a n 】同矗r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e so fs e v e ns 切1 l s w e r ee x 仃a c t e d am e t h o do fc a l c u l a t i n gm eg e a rm e s hf k q u e n c yu s i i l g 饥m 跚【l i s s i o n l o a ds p e c 饥l i i lw a sp r o p o s e d b yc o m p a i i n gm eg e a rm e s h 能q u e n c y 晰t l l 删 缸：q u e n c yo ft r a n s m i s s i o n 锄dc o m b i l l i n gw i n ln l ea c t u a lc o n d i t i o l l s ，n l er e s u l t ss h o w t l l a tt h ed y n 锄i cp e f f 0 唧锄c eo ft h et r a l l s m i s s i o ni sg o o da 芏l di sc o n s i s t e l r i t 诮也t l l e a c t l 】a ls i t l l a t i o n f i n a l l y ； am e t h o do fp a r t i t i o n e d o p t i m i z a t i o nc o n s i d e d n g t h es 仃u c n l r a l i i i 装载机定轴变速器总成及箱体性能分析与优化关键技术 c h a r a c t e r i s t i c so ft 1 1 e 饥m s m i s s i o nb o xw a sp r o p o s e d i nt m sm e t l l o d ，f - m i t ee l e m e n t s t a t i c 锄dm o d 甜觚a l y s i so fe a c hb l o c kw e r ec a 玎i e do u tf 酏t l y ，锄dt h e nt l l et o p o l o g ) r o p t i m i z a t i o nm o d e l 、v 硒e s t a b l i s h e du s i n go p t i s t n l c tb ys e t t i n gt l l ea m l y s i sr e s l l l t s 勰 t l l ec o i l s n 葡n t sa i l dm em i i l i m u mt a r g e tv o l 哪ea s l eo b j e c t b 嬲e do nt h ed e 璐i 够 n 印h o g r a m so ft o p 0 1 0 9 yo p t i m i z a t i o 玛s o l i dm o d e lw 嬲b u i l ta i l df i i l i t ee l e m e m a i l a l y s i sw 嬲c 枷e do u t t h e 觚a l l y s i sr e s u l t so fm w s t n j c t u r cw e r es 狮l 盯t ot l l a to f t l l e 嘶g i n a ls t n j c t u r e ，w h i c hp r 0 v e dn l er a t i o n a l i t ) ，o fo p t i m i z a t i o nr e s u l t s an e w s o l i d m o d e lo ft 1 1 e 栅l s m i s s i o nb o xw 弱c r e a t e db a s e do n 让l eo p t i m i z a t i o nr e s u l t so fe a c h b l o c k ，i t sf i i l i t ee l e m e n tm o d e lw a se s t a b l i s h e db yu s i n ga n a s y sw b r k b e n c h 锄di t s s t a t i ca n dm o d a la i l a l y s i sw e r ee x e c u t e d b yc o m p a r i n gt l l ea r l a l y s i sr e s u l t so ft l l en e w b o xw i t 量lt l l eo r i g i i l a lb o x ，l ep e r f o n n a l l c eo ft 、 r ok i i l d so fs t 】n l c t u r es h o w e ds i m i l 甄 s oi tp r o v e dt l l er a t i o n a l i t ) ，o ft h eb o xo p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：f i x e da x i st m s m i s s i o n ；b o x ；f i n i t ee l e m e n t ；t 0 p o l o g yo p t i m i z a t i o n t h i st h e s i si ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a lk e y1 陀c h n o l o g yr & dp m g m m ， c h i n a ( n o 2 0 1 1 b a f l l b 0 0 - 0 1 )a n d t h em a j o rp i o g r a mo fs c i e n c ea n d 1 e c h n o l o 科 f o u n d a t i o nf o rt h e u n i v e r s i 锣 i n f u j i a np 加v i n c e ， c h i n a ( n o 2 0 1 1 h 6 0 2 4 ) 第一章绪论 第一章绪论 【摘要】：首先介绍了国内外工程机械变速器的发展现状，然后从齿轮箱的研究 现状开始，深入分析了国内外工程机械变速器的研究现状，接着提出了本文的研 究课题及研究意义，最后阐述了本文的主要研究内容。 【关键词】：工程机械；变速器；研究意义 1 1 引言 近年来，伴随着国家基础设施建设和城市化进程的发展，工程机械行业发展 迅速。2 0 1 1 年，我国2 0 大类工程机械产品的销售收入突破5 0 0 0 亿元，同比增 长了1 7 以上，工程机械类企业综合实力迅速增强，国际竞争力和国际产业地位 大大提升。目前，不仅全行业产销数额双双排名世界第一，而且满足了中国大陆 近9 0 的市场需求。 变速器是行走式工程机械传动系统极其重要的部分，是工程机械动力传输的 核心和关键部件，对于整机性能和可靠性具有重要的意义。变速器的作用是改变 发动机和驱动轮间的传动比以适应车辆在启动、加速、行驶等不同条件下对牵引 力及行驶速度的不同要求，可以实现倒车以及能在发动机不熄火的情况下使机械 较长时间的停止i l 捌。按照操纵方式，变速器可以分为人力换挡和动力换挡；动力 换挡变速器又可以根据齿轮传动形式分为行星式动力换挡变速器和定轴式动力 图1 1 某型号定轴动力换挡变速器模型示意图 装载机定轴变速器总成及箱体性能分析与优化关键技术 换挡变速器。相比行星式动力换挡变速器，定轴动力换挡变速器的操控更加方便， 可靠性更高，通用性更好，代表了工程机械变速器未来发展方向，图1 1 为某型 号定轴动力换挡变速器模型示意图。 变速器的静动态特性决定了变速器可以传递的功率大小及振动稳定性，对变 速器的可靠性至关重要；变速器的中枢是齿轮轴系，齿轮轴系的振动特性决定了 变速器的动态特性，但变速器箱体作为安装变速器各机构的基础件，对保证齿轮 传动精度起着关键作用。箱体的主要作用是安装并保护齿轮、传动机构和容纳润 滑油，它是变速器承受载荷的主要部件；由于变速器箱体工作环境恶劣，工作时 受到来自外部的激励而产生振动；齿轮在啮合过程中会产生冲击，冲击通过轴和 轴承传递到箱体上而引起箱体振动；箱体振动极易导致齿轮的不对中，加速齿轮 表面的磨损【3 】。当齿轮啮合频率与变速器的固有频率接近或者吻合时，整个变速 器会发生共振效应，产生振动和噪声，这将加速变速器的疲劳损伤，影响变速器 寿命。 所以高强度、大刚度的箱体对于保证传动系统正常工作十分重要。但是过于 追求箱体强度和刚度的提高可能会增加箱体的质量，增加箱体的成本。随着国家 节能减排、减振降噪等战略的提出，人们对于体积、重量、振动、噪声等方面提 出了更高的要求，因此箱体在具有足够的强度和刚度的基础上，尺寸要尽可能小， 质量尽可能轻。本文以某定轴式变速器为研究对象，从变速器箱体的角度对变速 器的静动态特性进行分析，并对箱体的优化设计做了相关研究。 1 2 国内外工程机械变速器发展现状 国外的工程机械变速器研究起步较早，并且投入呈逐步增大的趋势，2 0 0 0 后，平均每年都有一百多份的专利申请，2 0 1 1 年为2 2 7 份，专利涉及的主要技 术领域是传动系统方案及控制系统。其中日本、德国和美国是拥有变速器专利最 多的国家。在工程机械生产商中，拥有变速器专利最多的公司依次是美国的卡特 彼勒公司( 1 0 9 件) 、瑞典的沃尔沃公司( 1 0 0 件) 和日本的小松公司( 8 3 件) ， 但很多的工程机械制造商并不自己生产变速器，而是选择外购，变速器的专利更 多的属于专门的变速器生产商。拥有变速器专利最多的公司是德国的z f 公司， 变速器专利数达6 2 6 件，日本的m s e n 公司排名第二，拥有变速器专利5 9 7 件， 日本的从c t o 公司排名第三，拥有变速器专利4 9 6 件。国外的变速器生产技术 2 第一章绪论 已比较成熟，变速器可靠性高，同时价格也高。 国内的工程机械变速器研究起步较晚，直至19 8 5 年才有一份可用于工程机 械的变速器专利提出申请。1 9 8 5 年至1 9 9 9 年是我国工程机械变速器的起步阶段， 自2 0 0 0 年开始，专利的申请呈逐步增长趋势。国内的工程机械变速器生产商主 要有徐工集团工程机械公司、柳州采埃孚机械有限公司，杭州前进齿轮箱集团股 份有限公司、四川成都成工工程机械股份有限公司和浙江杭叉工程机械股份有限 公司，厦工桥箱有限公司等，其中徐工拥有的专利数最多，也仅有l o 件。虽然 国内的变速器研究有了一定的进展，但还是存在故障率高等问题。 目前，国内装载机变速器市场上主流配置仍为行星式动力换挡变速器，是我 国六七十年代测绘国外公司产品而设计的，采用双涡轮4 原件变矩器和2 进l 退的变速箱；部分工程机械厂家采用自主生产的定轴式动力换挡变速器，采用单 涡轮3 原件变矩器和4 进3 退变速箱( 或4 进2 退、3 迸3 退) ；高档变速器则 主要是采用德国z f 公司( 进口或柳州合资生产) 的定轴式动力换挡变速器，采用 单涡轮3 原件变矩器和4 进3 退的变速箱。 国内的变速器较之国外，主要差距表现在以下几个方面【4 j ： 1 ) 规模小；变速器生产企业规模普遍较小而分散，缺乏话语权。 2 ) 可靠性差；产品寿命只有国外产品的一半左右。 3 ) 设备装备和加工技术落后；基础薄弱，装备水平离国外企业有不小差距， 试验设备差距较大。 4 ) 自主创新能力差；产品设计手段落后，试验手段缺乏，产品多年不变， 附加值、竞争力低。 1 3 工程机械变速器国内外研究现状分析 1 3 1 齿轮箱静动态特性及壳体优化技术的研究现状 在齿轮箱中，箱体的刚度对齿轮的啮合情况和它的工作性能有很大影响，所 以对箱体力学性能的研究和结构优化技术也一直是大家讨论的重点，而有限元技 术和试验模态技术在这一领域的应用也极大的促进了它的发展，为箱体设计制造 提供参考。 1 9 8 5 年，张涵浮等人【5 】采用有限元方法计算，并结合试验频谱分析，证实了 3 装载机定轴变速器总成及箱体性能分析与优化关键技术 壳体振动和噪声的大小，取决于壳体的固有频率和振动件的激发频率，指出依靠 有限元方法对齿轮箱壳体进行动态设计，既可以减少繁重的试验工作，又可以克 服设计中的盲目性。1 9 9 0 年，何如等人【6 】在简化船用齿轮箱壳体的基础上，把整 个齿轮箱作为一体进行处理，利用s a p 5 程序中的三维实体单元、板单元和边界 单元三种单元对箱体进行网格划分并进行计算，得到了壳体的应力和位移。1 9 9 3 年，胡杭湘等人【7 】运用有限元法对1 g 1 7 5 a 旋耕机的吃点齿轮箱体进行静态和动 态的强度和刚度计算，并对其动态特性用结构模态试验方法进行了分析，验证了 所建立的有限元模型的合理性。1 9 9 5 年，杨文硕等人【8 】运用三维实体单元和壳单 元组合，建立了齿轮减速箱体的结构力学分析模型，并对其进行了结构强度和刚 度分析。宋建新等人【9 】介绍了集中现代设计方法，通过应用这些方法可以使箱体 的设计制造水平大大提高。1 9 9 7 年，钟文生【l o 】等人提出了高速动力车承载式铸 铝齿轮箱体的设计原则及结构设计特点，并用有限元法对壳体强度进行了分析， 验证了设计的合理性。v r 吼锄u n i 等人l j 提出了一种二级减速器的齿轮箱设计 方法；只要给出齿轮箱的出入功率、转速和变形量等参数，计算机辅助系统会给 出轴及齿轮的材料、轴承的型号、齿轮箱的总体积及重量等可供选择的选项。该 系统同时还提供了传统设计方法得到的应力和有限元模型得到的应力二者之间 的比较，并可以得到模型的有限元动力学分析结果。2 0 0 1 年至2 0 0 3 年，杨成云 等人【1 2 。1 4 】以中心传动齿轮箱体为研究对象，对箱体的有限元模型进行静动态特性、 结构强度和传动性能的研究，从分析中得到变形较大的区域，并以此为基础对箱 体进行结构优化设计，最终方案可以降低成本，并使结构更为合理。他们还建立 了包括箱体和传动系统的增速箱的实体模型，应用三维接触有限元法求得齿轮啮 合动态激励，最后研究了增速箱系统的固有特性和动态响应，得到了增速箱的固 有频率和阵型。2 0 0 2 年，l yd n g u y e n 【”】等人利用a n s y s 软件，采用b e a m 4 单元模拟轴和齿轮、l i n k l o 单元模拟轴承，分析了齿轮箱的强度。2 0 0 9 年，陈 静等人【1 6 】基于有限元方法，采用变速器整体完全弹性体的研究模型，从整体的 角度出发，充分考虑各部件结合部的非线性特征和相互的作用，对变速器在各个 档位实际的工作状态下，分别进行了动态模拟，得到了包括齿轮、轴承、箱体在 内的各部件的动强度、动态响应的结果，并对变速器总成进行了固有模态和齿轮 啮合频率的综合分析，来全面综合的考察变速器总成的强度和振动问题。 4 第一章绪论 陈毅等人【1 7 】以风力发电机齿轮箱对研究对象，在力学理论分析的基础上，利用 合适的约束和加载方法用a n a s y s 对箱体进行了分析，并对箱体强度性能进行 了合理的评估。2 0 1 1 年，康一波【1 8 】等人利用h y p e r m e s h 软件，建立了双中间轴 变速器壳体有限元分析模型，考虑了齿轮、轴承和齿轮轴对壳体强度的影响，应 用接触非线性有限元理论分析了壳体的强度：同时进行了强度测试，对有限元结 果进行验证，计算值与试验结果基本吻合。 在箱体的拓扑优化研究方面，胡世军【1 9 】等人利用软件o p t i s n l l c t 建立了球面 车磨床迸给箱体的拓扑优化模型，以一阶频率最大化为目标对其进行优化，结果 一阶频率提高的同时又降低了箱体的总质量。高娟【2 0 l 以某轻型货车变速器为研 究对象，对其进行有限元分析和拓扑优化，结果在保证了壳体刚度，强度和振动 性的同时降低了壳体的质量。刘辉【2 1 啦】等人建立了变速器壳体的有限元模型并对 其进行静力分析、模态分析和动力响应分析，在此基础上以应力、位移、体积比 和l 阶固有频率为约束，以组合应变能为目标对结构进行静动态联合拓扑优化， 改进后的结构重量减轻，并且振动减弱。徐岩【2 3 】等人利用加强筋单元应变能灵 敏度和一种高效的重分析方法提高了优化计算速度，通过确定加强筋单元的使用 效率决定加强筋单元的删除和保留，利用这种方法有效的实现了变速器壳体加强 筋的布局优化。王勇【2 4 1 、郭能1 2 5 】等人也利用拓扑优化技术对箱体进行了研究， 并取得了满意的结果。 1 3 2 工程机械变速器静动态特性及壳体优化的研究现状 国内外对于工程机械变速器的研究主要集中在控制、换挡规律、性能匹配、 传动系统和液压系统等方面f 2 6 4 6 】，但对工程机械变速器箱体的研究文献很少，仅 仅有王广刨4 刀对装载机变速器箱体进行了静力分析，黄乐【4 8 】利用s i m u l a t i o n 对 d a n a 3 2 0 0 0 型变速器箱体进行了静动态特性分析。 工程机械的重载工况要求一个坚固的箱体，箱体在产品坚固性、可靠性和质 量等方面扮演者重要的角色，而且变速器箱体占了生产成本和投资方面( 铸造和 加工及相关设备) 的主要部分，显然在变速器开发阶段需要在箱体设计上花费大 力气【4 9 】。 从以上的分析可知，在工程机械变速器箱体这个领域研究内容还比较少，文 献比较缺乏，但这个领域是值得深入研究的。 5 装载机定轴变速器总成及箱体性能分析与优化关键技术 1 3 3 研究课题的提出和研究意义 目前国内生产定轴式动力换挡变速器的厂家主要有杭州齿轮厂和柳州采埃 孚机械有限公司，两家公司生产的都是采埃孚变速器，都是采用德国技术、国内 生产的模式，其产品价格高、市场供不应求，但核心技术和专利实质上都由国外 企业控制。因此，对于国内工程机械企业，研发电控定轴式动力换挡变速器对于 装载机行业升级换代具有重要战略意义。 “装载机定轴电控换挡变速器技术创新与应用 项目正是在基于我国工程 机械领域变速器产品亟待更新换代，实现产品和产业升级的形势下提出的。 项目的主要研究内容有：变速器复杂定轴轮系传动方案设计与分析、定轴变 速器结构与关键零部件动态设计与优化、变速器电控系统建模及仿真分析、变速 器样机制造和装配和变速器试验和测试关键技术。 本文的主要内容是变速器静动态特性分析及箱体优化设计研究，其它内容由 项目组的其他人负责，在此不再赘述。本文的研究具有以下两个方面的意义： 1 ) 通过变速器静动态特性的分析获取其性能参数，为新变速器的设计提供 参考； 2 ) 通过箱体的优化设计研究，总结箱体设计方法，为新箱体的设计提供理 论依据。 1 4 本文的主要研究内容 为了开发具有自主知识产权的高性能装载机变速器产品，本文结合某型号定 轴动力换挡变速器，做了如下方面的研究： 1 变速器箱体的刚度和强度分析与仿真。利用理论计算的方法获得变速器 箱体在最恶劣工况下的受力情况，并将力以其作用方式施加到变速器箱体的有限 元模型中，通过计算来校核变速器箱体的刚度和强度。 2 变速器箱体的试验模态分析。利用有限元方法对变速器箱体进行了自由 模态分析，得到变速器箱体的有限元模态参数，有限元自由模态分析结果为模态 试验设置提供参考。通过模态试验得到变速器箱体的模态参数，并与有限元的结 果进行比较，验证了有限元模型的有效性并为下一步的优化设计做好准备。 3 变速器总成的有限元模态分析。建立了变速器总成的有限元模型，考虑 6 第一章绪论 各个部件间的实际接触，对其进行约束模态分析。提取出总成在各档下的模态固 有频率和振型，并引入载荷谱的概念对齿轮进行啮合频率分析，并进一步的评价 变速器总成的动态特性。 4 变速器箱体的优化设计研究。在前面三部分对变速器箱体静动态特性研 究的基础上，利用拓扑优化技术进行新箱体的设计，以原来箱体的性能为约束， 以体积最小化为目标，结合箱体的特征提出了分块优化的方法，在每一块优化结 果都满足性能约束之后，建立新箱体的实体模型并进行有限元静力和模态分析， 并与原箱体性能进行对比，对比结果显示，优化结果是合理的，优化方法是有效 的。 论文总路线图如图1 2 所示： 图1 2 论文研究总路线图 7 装载机定轴变速器总成及箱体性能分析与优化关键技术 第二章变速器箱体结构强度分析与仿真 【摘要】：本章对研究的变速器总成进行了简要的介绍，用理论的计算方法计算 出了变速器箱体在前进一档和倒退一档两种工况下的极限受力情况；利用 a n s y sw 0 r k b e n c h 建立了变速器箱体的有限元模型，并将力以其实际作用方式 加载在箱体有限元模型中，计算结果为箱体的优化和新箱体的设计提供参考。 【关键词】：箱体；有限元；结构强度 变速器箱体是变速器承受载荷的主要部件；为了保护箱体内部的零件，箱体 必须有足够的强度来承受来自变速器内外的各种载荷，若强度不足，容易产生局 部裂纹，甚至发生断裂破坏，需以变速器在工作过程中可能发生的最大载荷校核 其静强度；箱体的刚度决定了齿轮的啮合情况和工作性能，如果箱体变形较大， 将增大齿轮的啮合误差，导致齿轮磨损和变速器的振动加剧，引起变速器的疲劳 损伤破坏，因此也必须校核其刚度。 变速器箱体结构复杂，包含各种加强筋、孔、凸台和油道等特征，很难用理 论方法进行分析计算，有限元法是分析箱体强度和刚度比较有效的方法。比较通 用的方法是用理论公式计算出齿轮的受力，之后分解到各轴端，然后按照力的作 用方式将力加载到箱体的有限元模型上并进行求解。轴承和部分轴端作用在箱体 上的力是不均匀的，为轴承载荷；为了正确施加力载荷，邵鹏礼【5 川等人编写了 轴承载荷模块，孙德志1 5 l 】等人直接以函数形式施加作用力，但这两种方式都比 较复杂。a n s y sw b r k b e i l c h 直接提供了轴承载荷，本章利用a n s y sw 6 r k b e n c h 对箱体进行静力学仿真。 2 1a n s y sw b r k b e n c h 概述 随着计算机辅助工程( c a e ) 技术在工业应用里领域中的广度和深度的不断 发展，分析对象已由单一的零件拓展到系统级的装配体，同时分析领域也不再局 限于结构力学，已涉及流体力学、热力学、电磁学、多场耦合等。a n s y s w b r k b e n c h 【5 2 彤】就是新一代的多物理场协同c a e 仿真环境。其主要特点如下： 1 ) 强大的装配体自动分析功能； 2 ) 自动化网格划分功能； 8 第二章变速器箱体结构强度分析与仿真 3 ) 协同的多物理场分析环境及行业化定制功能； 4 ) 快捷的优化工具d e s i 印e x p l o r a t i o n 。 从a n s y sw b r k b e n c h1 2 o 开始，软件在工程页中首次引入了工程图解的概 念，通过该项功能可将一个复杂的包含多场分析的物理问题，通过系统间的连接 就能实现其关联性。图2 1 展示了个热固耦合分析的实例。 w rs e 鲥y s t 教e 计目静删c 是托j 2 一! 多e n 嘻- 、e 。n n gd 驶a 3p6 e o m e t 吖 4 哆m o d e i 5 t e a d y 5 ：a t er h e r m a i ( a n s y 5 _ 一2 毋e n q i e n n g d 蕞a ? j 3p 6 e 口腿打y ? 一q 擘删e l 7 一 ? j 一 j 5 + 蛾5 e 呻 6 ：自姚e i o n 尹奋一矗i 5 t a t i cs 七r l t u 涮( a n 引5 ) j 9j 曾j 图2 1 多场耦合分析实例 a n s y sw r o r k b e n c h 不仅提供了常见的力和力矩载荷，还提供了轴承载荷、 螺栓载荷和远端载荷等非常实用的载荷。a n s y sw 6 r k b e n c h 的新版本还提供了 多域扫掠型网格，其特点是几何体的自动分解功能，从而产生六面体网格。 2 2 变速器总成结构 本文研究的变速器为定轴式电液控制换挡变速器，它的主要特点是通过电控 液压系统控制六个摩擦片离合器的不同组合实现动力换挡，带动与之相连的齿轮 来传递动力，以适应工程机械不同的工况要求。变速器总成示意图如图2 2 所示。 连接外壳 飞轮过度盘 液力变矩器i 。- 。- 。_ - 一 f 法兰i ! 堕丝塞 ： 箱体l 图2 2 变速器总成示意图 9 转向泵取力器 0 工作泵取力器 “t k v k l 轴 。1 - 。_ 。一 k r k 2 轴l 。_ _ _ - 。_ _ _ 。 _ 。- 。一 k 4 一k 3 轴 _ _ - - 。- - _ _ 。_ 一 l 输出轴 垂慧 瓷裔裔 装载机定轴变速器总成及箱体性能分析与优化关键技术 变速器通过一个三元件单涡轮液力变矩器与发动机相连获得动力；通过与罩 轮直接相连的辅助驱动轴带动一对齿轮作为变速箱两个取力器接口，同时带动一 个内啮合齿轮泵为变速器操纵阀提供液压油；与变矩器涡轮相连接的涡轮轴在另 一端带动输入齿轮把动力传递到变速箱内；在变速箱内由三组六个摩擦片离合器 的组合实现变速器四个前进挡和至少三个后退档的档位组合：变速箱输出部分为 工程机械提供连接前后驱动桥的接口及驻车制动器。 变速器传动系统齿轮均为直齿轮，取力器齿轮为斜齿轮。表2 1 列出了变速 器传动系统部分齿轮的基本参数。 表2 1 齿轮参数表 参数 z 1z 2z 3z 6z 7 齿数z 4 63 84 66 56 5 模数m 4 44 33 压力角伍 2 02 0 2 02 0 2 0 分度圆直径 1 8 41 5 2 1 8 4 1 9 51 9 5 啮合角伍 2 3 3 9 2 3 3 9 2 3 - 3 92 2 6 12 2 6 l 节圆直径 1 8 8 3 81 5 5 6 21 8 8 3 81 9 8 5 01 9 8 5 0 变位系数 o 5 3o 5 5 3 2o 5 3o 6 20 6 2 齿轮对 z 1 z 2z 2 z 3z 6 z 7 中心距 1 7 21 7 21 9 8 5 参数 z 9z 1 0z l lz 1 2z 1 3 齿数z 3 35 32 l3 74 5 模数m 4 54 56 66 压力角伍 2 4 2 42 4 2 42 4 分度圆直径 1 4 8 52 3 8 51 2 62 2 22 7 0 啮合角0 【 2 7 0 62 7 0 62 7 2 22 7 2 2 2 5 9 82 5 9 8 节圆直径 1 5 2 3 42 4 4 6 61 2 9 4 42 2 8 0 6 2 2 5 6 l2 7 4 3 9 变位系数 0 6o 5 7 9o 4 9 9 2o 3 4 3 40 3 4 9 5 齿轮对 z 9 z 1 0z 1 1 z 1 2z 1 2 z 1 3 中心距1 9 8 51 7 8 7 52 5 0 l o 第二章变速器箱体结构强度分析与仿真 变速器的传动简图如图2 3 所示 r 迅y 。 l 上匹 ，盯仙： 。 r 1 5 - 1 0 ；k r7 k 2 娶 。 厂， 一 h 1 l ；旷仙 一一 f 。 3 - - h k l 一一一二 ， 一 岍 仙 - 8 - 1 图2 3 变速器传动简图 各档位的传动路线如下所示： 前进一档传递路线z 2 一z 1 - z 9 _ z 1 0 - _ z 1 l z l 卜z 1 3 前进二档传递路线z 2 z 1 z z 7 _ z 1 1 - z 1 2 _ z 1 3 前进三档传递路线z 2 z l z b z 7 z k z l 2 _ - z 1 3 前进四档传递路线z 2 z 1 z 仁z 5 z 1 2 - z 1 3 倒退一档传递路线z 2 _ z 3 z 卜z 仁z 9 一z l o - z l l - z 1 2 一z 1 3 倒退二档传递路线z 2 z 3 - z 1 1 z 1 2 z 1 3 倒退三档传递路线z 2 z 3 z 7 _ z 8 z 1 2 _ z 1 3 2 3 变速器箱体的载荷分布 在变速器各工作状态中，前进一档和倒退一档两种工况下变速器箱体承受载 荷最大，并有较大的变形和应力，下面我们着重讨论变速器箱体在前进一档和倒 退一档时的受力问题。 该型号变速器所配的液力变矩器为单级单向变矩器，失速变矩比为2 5 5 ，此 时变矩器涡轮转速为0 ，转矩最大。与变矩器匹配的发动机在1 5 0 0 棚时转矩最 装载机定轴变速器总成及箱体性能分析与优化关键技术 大，为7 7 5 n m 。我们以发动机转矩最大，输出轴转速为零这种极限工况为研究 对象。此时，输入变速箱的转矩为t = 7 7 5 2 5 5 = 1 9 8 e 6 n 咖。根据输入转矩可以 计算出一档工况时各轴的输入转矩： l ( 、，k 1 轴输入转矩t 2 = 1 9 8 e 6 4 6 3 8 _ 2 4 e 6 n m m k r l 【2 轴输入转矩t 3 = 2 4 e 6 5 3 3 3 = 3 8 5 e 6 n r n m l 【3 k 4 轴输入转矩t 4 _ 3 8 5 e 6 3 7 2 l = 6 7 9 e 6 n i m 输出轴输入转矩t 5 = 6 7 9 e 6 4 5 3 7 = 8 2 5 e 6 n r m 2 3 1 各轴上齿轮的受力分析 对于直齿圆柱齿轮【5 4 l ： 产n | 忒 f r - f t t a i l 旺 其中f t 为齿轮的圆周力，f r 为径向力； t 为齿轮传递的转矩 d 为齿轮的节圆直径 a 为齿轮的啮合角 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 根据式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 计算出来齿轮对在前进一档和倒退一档的圆周力和径 向力分别如表2 2 和表2 3 所示。 表2 2 前进一档各齿轮对受力情况单位：n 齿轮 z 1 z 2z 9 z 1 0z l lz 1 2z 1 3 圆周力 2 5 4 4 6 63 1 5 0 8 55 9 4 8 7 6 0 1 3 3 4 径向力 1 1 0 0 6 51 6 0 9 63 0 5 9 8 42 9 3 0 3 表2 3 倒退一档各齿轮对受力情况单位：n 齿轮 z 2z 3z 6z 7z 9z 1 0z 1 lz 1 2z 1 3 圆周力 2 5 4 4 6 62 4 1 8 1 43 1 5 0 8 55 9 4 8 76 0 1 3 3 4 径向力 1 1 0 0 6 51 0 0 7 0 71 6 0 9 63 0 5 9 8 42 9 3 0 3 齿轮对的圆周力和径向力无法直接加载到有限元模型中，必须把它们分解到 有限元的坐标系中才可以。根据各齿轮的空间位置建立如图2 4 所示的齿轮受力 分析示意图，并以输入齿轮为研究对象，在前进一档工况下，依据式( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 对其进行受力分析。 1 2 第二章变速器箱体结构强度分析与仿真 f y - f r s i n p - f t c o s p ( 2 3 ) ( 2 _ 4 ) 图2 4 齿轮受力分析示意图 参考输入齿轮，对其它齿轮进行受力分析，得到的两种工况下各齿轮的受力 情况，如表2 4 、表2 5 所示。 表2 4 前进一档各齿轮受力情况单位：n z l z 2z 9z 1 0 z 1 lz 1 2z 1 3 z 向的力 2 4 1 0 4 32 4 l 0 4 32 5 0 4 4 9 9 1 3 2 4 - 3 1 3 1 1 9 1 2 6 4 9 1 1 8 y 向的力 1 3 6 9 8 713 6 9 8 72 4 9 9 2 41 5 9 3 6 82 5 2 1 5 51 6 1 6 0 2 表2 5 倒退一档各齿轮受力情况单位：n 齿轮受力 z 2z 3z 6z 7 z 向的力 2 1 1 1 6 72 1 1 1 6 71 7 0 5 0 31 7 0 5 0 3 y 向的力 1 7 9 6 5 41 7 9 6 5 4- 1 9 8 8 5 91 9 8 8 5 9 齿轮受力 z 9z 1 0 z 1 lz 1 2z 1 3 z 向的力 5 5 7 1 52 5 6 0 6 98 3 9 0 5 35 2 7 2 6 9 y 向的力3 4 9 3 9 8 2 4 2 4 5 31 8 0 2 0- 4 1 1 6 5 1 2 3 2 箱体受力分析 以上的步骤求出了齿轮受到的y 向和z 向的力，为求出作用在箱体上的力， 1 3 装载机定轴变速器总成及箱体性能分析与优化关键技术 以k v k l 轴为例，建立了k v k l 轴的受力分析模型和载荷分析简图，如图2 5 所示， 将轴上的分布载荷简化为集中力，作用点为载荷分布段的中点5 4 1 ，依据方程组 ( 2 5 ) 将齿轮的受力分解到轴端，即加载在箱体上的力。 f h l l + f h l 2 = f z l f h 2 l + f h 2 2 = f 吐 f h l l d l = f h l 2 ( d 2 + d 3 ) f h 2 1 ( d l + d 2 ) = f h 2 2 d 3 f h l = f h l l + f h 2 l f h 2 = i f h l 2 + f h 2 2 f v ll + f v l 2 _ f v l f v 2 l + f v 2 2 = f v 2 f v l l d l