RADIOSS在变速箱壳体动静性能分析中的应用
- 发布时间：2013/2/5 8:41:25
- 浏览次数：1708
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
变速箱壳体表面特征多而复杂，不易直接在CAE软件中建模。本文以某型号轻卡壳体为研究对象，利用三维软件建立壳体数模，采用专业、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
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]，zui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，zui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
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3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
1.5求解计算
根据RADIOSS计算结果可知：离合器壳体上zui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zui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zui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所示：
2.1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]：
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，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31800r/min各档位噪音情况
当输入转速为1800r/min时，根据各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41800r/min时各档位齿啮合频率
表5壳体的固有频率及振型
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）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；同时RADIOSS对于结构动静态性能求解提供了丰富算法，以便工程师更加地处理实际工程问题。