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RADIOSS在变速箱壳体动静性能分析中的应用

作者:Simwe    来源:Altair    发布时间:2013-01-08    收藏】 【打印】  复制连接  【 】 我来说两句:(0逛逛论坛

RADIOSS在变速箱壳体动静性能分析中的应用
      
            陈叶林     何湘玥   
          上海汽车变速器有限公司,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、RADIOSS


0引言

变速箱壳体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、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]:

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; 为弹性变形。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。


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所示:


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.


图6各壳体von-mis应力云图

 


2.变速器壳体动态性能分析

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]:

式中:[M]、[K][C]分别为质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵;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:

式6对应的特征方程为:

式中 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,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

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)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);71—74
[2] 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,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]。中国机械工程,2007,18(18):2191-2194
[5] 中华人民共和国工业和信息化部。汽车机械式变速器总成台架试验方法。中华人民共和国汽车行业标准,QC/T568-1999
[6] 许宏。汽车变速器振动与噪音测试方法研究[D].四川大学,2004:1-113

 

RADIOSS Application in Static & Dynamic Analysis of Gearboxes
Chen Yelin  He Xiangyue


Abstract: 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 transmission noise and housing natural frequency is studied by combining data results about transmission assembly noise test with natural frequency and mode shape of housing under constrained situation.
Key words: Transmission Housing  Dynamic & Static Analysis Mode Shape  RADIOSS

 

   
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