陈叶林_radioss在变速箱壳体动静性能分析中的应用

1、 Altair 2012 Hyperworks 技术大会论RADIOSS 在变速箱壳体动静性能分析中的应用陈叶林何湘玥上海汽车变速器，商用车事业部，上海，201800摘要：本文在前人研究变速器壳体动静态性能分析的基础上，以某新型轻卡变速器壳体为研 究对象，阐述了壳体的受力情况和边界约束，利用 RADIOSS 软件对壳体结构进行了刚度、 强度性能分析。此外，通过计算各档位齿轮在 1800r/min 下的齿轮啮合频率，结合变速箱总 成噪音实验数据，以及壳体在有约束情况下的固有频率和振型，研究变速箱噪音与壳体固有 频率之间的关系。关键字：变速器壳体、动静态分析、振型、RADIOSS0 引言变速箱壳体

2、是变速器结构中的重要组成部件，起到支撑、保护齿轮传动机构的作用。壳体性能好坏直接影响整个变速箱结构的性能，间接地影响整车的使用性能。壳体强度不够会造成局部出现裂纹甚至壳体损坏；壳体刚度不足会影响齿轮传动平稳性、精确性，从而降低整个变速箱的动态性能和使用寿命。壳体的动态性能会直接影响整个变速箱的振动和噪音，从而影响驾乘人员的舒适性。随着变速箱新技术的应用以及整个社会环保意识的与日俱增，变速箱向尺寸小、质量轻的方向发展。这就对壳体的性能提出了更高的要求，以保证变速器使用性能更佳。 采用有限元方法对变速箱壳体的刚强度、动态性能分析已经成为国内外变速器研究机构 和生产厂家的主要手段。刘宏昭1的“轨道车

3、变速箱壳体强度研究”、北京理工大学胡纪滨2的“液压机械变速器有限元分析与改进”、东北大学孙德志3“金属带式无级变速器壳体的强度和刚度分析”都是采用该基本原理进行分析计算。本文以某轻卡变速器壳体作为研究对象，详细分析了壳体受力情况和约束边界，并利用专业软件提取壳体的受力数值，从而提高分析时边界条件施加的合理性和准确性；此外，对该壳体进行动态分析，提取壳体结 构的固有频率与振型，为后续研究壳体结构的频率响应分析做准备。 1 变速器壳体静态性能分析1.1 建模- 1 - Altair 2012 Hyperworks 技术大会论变速箱壳体表面特征多而复杂，不易直接在 CAE 软件中建模。本文以某型号轻

4、卡壳体为研究对象，利用三维软件建立壳体数模，采用专业、高效 HYPERMESH 进行壳体模型的几何清理。由于壳体结构表面的复杂性，采用四面体单元进行网格划分，同时为了降低四面单 元刚化作用：首先在壳体表面布置高阶二维单元，再根据已经生成的二维单元生成三维单元， 完成后的有限元模型如图 1 所示,共生成 1044358 个 10 节点四面体单元。 图 1 某轻卡变速箱壳体的有限元模型 1.2 材料与属性 变速箱壳体的材料采用铝合金，具体参数见表 1：表 1 铝合金材料参数 1.3 壳体受力分析 变速箱在运行过程中，工作齿轮啮合产生的作用力通过轴承作用在变速箱壳体轴承孔上。本文利用专业传动系统软件

5、建立整个变速器传动机构模型；借助 CAE 软件提取壳体的刚度矩阵，导入传动系统软件中，并在轴承处将壳体与传动机构相连接。按照变速箱静扭强度国标要求5，最危险工况为 1 档转速下的 3 倍扭矩，本文对该工况下变速箱结构的强度、刚度进行校核，最后提取各轴承处的作用反力，如表 2 所示。 表 2 一档三倍扭矩下轴承约束反力 轴承径向力是沿着轴承孔径向分布，具体分布情况如图 3 所示，计算公式如下4： - 2 -轴 承 Fx (N) Fy (N) Fz (N) Mx (Nmm) My (Nmm) Mz (Nmm) 1 26272 3958 10906 13032 300478 0 2 661 517

6、-3163 24964 -43475 5972 3 -661 -517 3163 27955 -24176 -5972 4 -74078 42063 -30620 -272272 -787172 0 5 71973 -34253 -15631 299406 544733 0 6 -23017 -13598 35345 -209352 31388 0 材料名称 弹性模量 （Mpa） 泊松比 密度 （t/mm3） 屈服强度 （Mpa） 抗拉强度 （Mpa） ADC12 7.2e+4 0.33 2.77e-9 160 330 Altair 2012 Hyperworks 技术大会论Fw = p +

7、2 p cosl + 2 p cos nl（1）01nml = 360 / Z n = (Z -1)/ 4pn = kdn(2)(3)(4)式中，w 为轴承座孔单位线载荷；F 为轴承座孔支反力；m 为轴承座沿轴线方向的关键节点数量；P0 为受力最大单元所承受的最大载荷；Z 为轴承座 沿圆周线方向上的关键节点总数；k 为常数； dn 为 图 3 轴承径向载荷的分布规律 弹性变形。径向载荷按照图 3 所以示规律施加在轴 承孔上，轴向载荷均布施加在相应壳体承载部位上，弯矩施加在轴承孔中心点上。图 3 径向载荷分布规律1.4 约束和连接处理位移边界条件用来描述模型实际支撑条件的约束。变速箱结构主要依靠

8、离合器壳体与发 动机进行连接来保持支撑，在后壳体上有辅助支撑，约束施加如图4中黄色三角形部分所示。 离合器壳体、主壳体、后壳体、操纵器壳体、取力器壳体等结构之间装配是通过螺栓连接， 在分析中采用建立刚性连接的方式模拟螺栓连接。离合器壳体边界条件后壳体边界条件图 4 约束边界条件1.5 求解计算 根据RADIOSS 计算结果可知：离合器壳体上最大变形为 0.22mm，位于与中间轴前轴承相连接的壳体轴承孔处（6 号轴承）；主壳体上最大变形为 0.19mm，出现在输出轴与主壳体相连接的轴承孔处（4 号轴承）；后壳体上最大变形为 0.14mm，出现在与主壳体联接端面 螺纹孔处。各壳体变形云图如图 5

9、所示： - 3 - Altair 2012 Hyperworks 技术大会论后壳体应变云图主壳体应变云图离合器壳体应变云图图 5 各壳体应变云图离合器壳体上最大应力为 188.3MPa，位于中间轴轴承孔加强筋板上；主壳体上最大应力为 199.5MPa，位于输出轴后轴承孔加强筋板处；后壳体上最大应力为 166.5MPa，出现在壳体边缘处；由于计算时是采用 3 倍静扭加载，且上述壳体的最大应力均小于材料许用应力 330MPa，故可判定壳体结构安全。壳体各应力云图如图 6 所示.离合器壳体应力云图离合器壳体应力云图离合器壳体应力云图图 6 各壳体von-mis 应力云图2.变速器壳体动态性能分析2.

10、1 壳体结构振动基本方程 根据弹性力学相关理论，壳体结构运动微分方程为6： M x +K x +C x =F (t )x.(5) 式中：M 、K 、C 分别为质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵；x、x、F (t ).x分别为加速度、位移、速度和激励向量。结构的固有频率与振型是结构本身固有属性，与外 界载荷无关；且结构阻尼系数对其影响较小。无阻尼自由振动微分方程为：M x+K x= 0（6）式 6 对应的特征方程为： (K -w2 M )x = 0- 4 -（7） Altair 2012 Hyperworks 技术大会论式中w 为系统的固有频率。2.2 壳体固有频率及振型求解 变速箱在工作时会产生振动

11、，振动产生噪音。根据整车厂对变速箱总成噪音的实验要求， 对该型号变速箱总成结构进行噪音实验：在离变速箱距离 1000mm 处，从四个方向测量输入转速 1800r/min 时变速箱在各档位的噪音情况，统计数据如表 3 所示： 表 3 1800r/min 各档位噪音情况 从表 2 可知，输入转速 1800r/min 时不同档位上变速箱总成的噪音值比较接近，相差最大 1.97db,我们可以推测壳体固有频率与在该转速下各档位齿轮啮合频率不重合或不相近，故 可知未明显产生共振现象。下面我们分别计算该转速下各档位齿轮啮合频率和壳体的固有频 率，以验证上述推断。 当输入转速为 1800r/min 时，根据各

12、档位的传动比以及齿轮参数可以计算出每档位齿轮 啮合频率，如表 4 所示：表 4 1800r/min 时各档位齿啮合频率 利用RADIOSS 求解出变速器壳体前 10 阶固有频率及振型如表 5 所示。 表 5 壳体的固有频率及振型 - 5 -阶数 频率 （HZ） 振型 1 720 主壳体横向摆动，离合器壳体局部上下摆动 2 823 壳体整体弯曲变形 3 976 主壳体扭转变形，离合器壳体上下摆动 4 1104 主壳体中部横向摆动 5 1199 主壳体后部横向摆动，离合器壳体局部上下摆动 档位 齿轮啮合频率（HZ） 1 246 2 430.5 3 594.5 常啮合齿 780 5 1004.5 倒

13、档 246 档位 前 后 左 右 平均值 空挡 82.5 87.8 88.2 83.1 85.40 1 82.3 87.5 88 82 84.95 2 83.1 87.7 88.4 83.5 85.68 3 83.1 88.7 89.1 84 86.23 4 81.4 87.4 86.5 81 84.08 5 83.6 89 90.3 83.2 86.53 倒档 83.4 89.4 88 83.4 86.05 Altair 2012 Hyperworks 技术大会论根据表 5 中壳体前 10 阶固有频率值可知：壳体前 10 阶固有频率基本远离 1800r/min 时各档位齿轮的啮合频率，只有

14、1 阶固有频率与常啮齿啮合频率、4 阶固有频率与 5 档齿啮 合频率较近，但最小也相差 60HZ，该问题需要进行壳体结构频率响应分析进行进一步验证。 同时从表 5 中可以得出变速器壳体不同固有频率下的振型情况比较复杂：不仅有横向、上下摆动，还有弯曲、扭转变形；同时上述变形不是单独存在而是交错共存。该现象反应了 变速器壳体动力性能的复杂性。3.结论本文在前人研究基础上，对某新型号轻卡变速器壳体进行了动静态性能分析，得出以下几点结论： (1) 进行壳体动静态性能分析时，要充分考虑离合器壳体、主壳体、后壳体之间的连接关系；本文采用 Rigid 模拟螺栓连接，忽略了螺栓预紧力，后续需进一步研究。 (2

15、) 进行壳体的静扭强度分析时，要充分考虑轴承力在壳体上的实际分布情况。 (3) 对模态分析结果和变速箱总成噪音实验数据进行理论比较，一定程度上用实验验证模态结果分析的正确性，为今后的模态分析提供一定的指导意义。 (4) HyperMesh 软件提供了方便、快捷几何清理功能，同时对网格划分有着其他 CAE 软件无法媲美的高效；同时 RADIOSS 对于结构动静态性能求解提供了丰富算法，以便工程师更加高效地处理实际工程问题。 4.参考文献1刘宏昭，邵跃，曹惟庆。轨道式变速箱壳体强度研究J。机械强度，1995，17（1）；71742胡纪滨、王杰、周毅。液压机械变速器箱体有限元分析与改进 J。机械设计

16、,2006,23 （11）：46-48 3康一坡。基于多零件接触的重型汽车变速器壳体强度分析D。吉林大学,2008：1-65 4孙德志，郑宏远，程乃士等。金属带式无极变速器壳体的强度和刚度分析J。中国机- 6 -6 1274 主壳体横向摆动 7 1402 离合器壳体局部上下摆动 8 1553 主壳体靠近窗口盖处局部横向摆动 9 1651 主壳体中间部位横向摆动，顶部上下摆动 10 1691 离合器壳体扭转变形 Altair 2012 Hyperworks 技术大会论械工程，2007,18(18)：2191-2194 5 6 许宏。汽车变速器振动与噪音测试方法研究D.四川大学，2004:1-11

17、3 RADIOSS Application in Static & DynamicAnalysis of GearboxesChen YelinHe XiangyueAbstract: Based on predecessors research on the dynamic and static state performance analysis of transmission housing, this paper expatiates loaded situation and boundary constraints relation of housing while finishing stiffness and strength performance analysis of housing structure. Besides, gear mesh frequency of each gear-level with the speed of 1800r/min is calculated. Relation between tra