变速器壳体强度分析.doc

1 变速器壳体强度分析
4．1变速器箱体的有限元结构强度计算分析
变速器箱体是变速器系统的主要组成部分，在齿轮传动过程中，箱体承受较大的载荷并产生较大的变形和应力。变速器的各轴均通过轴承支撑在箱体上，因此箱体的受力变形对变速器工作的可靠性和寿命有较大的影响。本节着重研究了变速器箱体的实体建模及有限元结构强度分析。
4．1．1变速器箱体三维实体模型的建立
M5ZRI的箱体分为前箱体后箱体两个部分由8个螺栓连接，为铸铝件，其结构非常复杂，外形不规则，尤其是前箱体的钟型罩部分是由大量的曲面构成。建模工作中使用大型CAD软件uG进行了箱体的三维实体建模，分别建立了前后两个箱体后再将其装配到一起建立的箱体实体模型如图4一l：

图4一l变速器箱体的实体模型
从上图可以看出该实体模型十分复杂，直接导入ANSYS并划分网格十分困难，并且由于铸造结构的大量小过渡圆角等结构的存在将使有限元分析的规模过大以至计算机难以承受。因此在不影响分析精度的前提下，必须对这个实体进行简化，得到的简化模型参见图3—9。
4．1．2变速器箱体结构强度分析有限元模型的建立
变速器箱体的有限元分析使用了通用有限元分析软件ANSYS。箱体有限元强度分析采用与了上文有限元模态分析同样的方法建立有限元模型，即在0G的结构分析Structure模块中进行有限元模型的分网加载等前处理，利用inp命令流文件导入ANSYS，使用ANSYS的求解器求解并进行后处理。
一、网格划分单元类型及材料属性的确定
在UG的Structure结构分析模块中首先设定有限元模型使用ANSYS格式，设定网格划分类型为自动四面体网格划分。对于比较复杂的模型，使用二次单元通常会比线性单元的求解效率高且产生良好的效果，因此单元类型使用了SOLID92，为3-D固体结构二次单元，每个单元有lO个节点，每个节点上有x，Y，zZ个方向上的平移自由度，此单元可以应用于弹塑性、大变形及大应变分析，与线性的实体单元SOLID45相比，SOLl992更适用于不规则的实体模型网格划分。变速器箱体采用的材料是铸铝ADCl 2，主要用来制造变速器箱体，气缸体缸盖等。其材料特性为：弹性模量70GPa，泊松比O．32，密度2．8×10 5Kg／m3，抗拉强度a．=329MPa。根据材料的性能，对材料属性设置项进行了相关的设定。
二、变速器箱体模型的网格划分及加载、约束条件的确定
如上文所述在uG的Structure模块中采用自动四面体网格划分，网格密度的控制根据计算规模的大小及变速箱简化模型的几何尺寸，经过几次试算确定了较为合理的网格密度，确定全局单元尺寸为8．0，网格扩展因子设定为1．0。变速箱实体模型划分为147639个节点78525个单元，在uG中划分的网格及导XANSYS后的网格模型见下图4—2。将有限元网格模型与变速箱简化实体模型对比，可以看出网格模型能准确的反映实体模型的特征，可见划分较为精确。

uG中划分网格的实体模型导入ANSY$获得的有限元模型
图4—2变速器箱体的有限元模型
网格模型建立后进行模型的约束及加载。由于变速器箱体所受的载荷主要是齿轮传动引起的众多轴承载荷，以及箱体自身的重量，箱体自身的重量ANSYS程序能够自动计算，而各轴承载荷通过轴承外圈作用在箱体上，将其作为箱体轴承支撑圆柱面上的法向均布面载荷来处理。变速器箱体的边界约束条件则是按变速器的实际安装状态，将后箱体输出端的支撑座处以及前箱体裙部的安装面这两处单元各节点的三个平动自由度U，、U，、u。约束为O。由于导入ANSYS后的有限元模型各加载面上单元数量众多，而导入的有限元模型不包含实体的点线面特征，加载比较困难，因此所有的加载与约束均在uG的Structure模块中进行，然后通过in口命令流文件导入ANSYS。根据变速器的输入扭矩以及五档传动比和齿轮的基本参数计算得到箱体各轴支撑轴承处所受载荷如下：
一轴支撑轴承处轴向力F。-3420N；径向力F，=2652N；切向力F：=6433N。径向力和轴向力均按照各自的方向作用在轴承支撑处相应的半圆柱面上，而轴向力根据实际安装情况，是通过轴承卡环作用在一个圆环面上，该受力面在简化处理模型时己经做出，加载在其上即可。二轴施加给箱体的力主要是后端的双列角接触球轴承处三个方向的力和后端辅助支撑轴承处的两个方向的力：角接触球轴承处轴向力F，=3379N；径向力F，=1071N；切向力E=3000N。径向力和轴向力均按照各自的方向作用在轴承支撑处相应的半圆柱面上，而轴向力根据实际安装情况，通过轴承卡环作用在前箱体上轴承安装位置的沉孔圆环面E。辅助支撑轴承处径向力F，=132lN；切向力F。=3699N按照各自的方向作用在轴承支撑处相应的半圆柱面上。中间轴前端支撑轴承处轴向力F，：7941N；径向力F，=2268N；切向力F：=5775N。径向力和轴向力均按照各自的方向作用在轴承支撑处相应的半圆柱面上，而轴向力根据实际安装情况，通过挡环作用在变速器前端盖上，如上文所述，前端盖简化为局部与前箱体一体，该处的受力面也已做出，加载在其上即可。中间支撑轴承处轴向力F。=7900N；径向力F，=1160N；切向力F：=777N，各力均按其实际加载位置施加。后端轴承支撑处只有两个方向的力，径向力F，=1493N；切向力F。=5775N均按照各自的方向作用在轴承支撑处相应的半圆柱面上。下图4—3即为uG中加载的情况，如透视图中所示各加载面所受的面载荷以红色箭头表示，后箱体上支撑处的黄色标志表示约束该处三个平动自由度。所有的加载信息和约束条件经过格式化为ANSYS命令流文件后，导入ANSYS后自动转换施加到有限元网格模型的各节点上。

图4—3 UG中施加约束及载荷

43导入ANSYS后的加载与约束条件见下图4-4。各图中的约束i’以浅蓝色的标志表示，而转化到节点上的面载荷则据其大小以不同的颜色表示在各受载面上，如图4—4中红色箭头所指各面，其余各受载面的加载情况大致相同。约束面载荷

图4—4 ANSYS中施加约束及载荷的箱体模型
完成加载和约束的模型即可进行有限元分析计算。
4．1．3变速器箱体结构强度有限元计算结果
加载及约束设定完成后，即可进入ANSYS的求解器进行计算。设定分析的类型为静态线性过程(LINEAR STATIC)，材料性质为线弹性(LINEAR E1．ASTIC)。选取直接解法求解方式，不组装整个矩阵，只是在求解器处理每～个单元时，同时进行整个矩阵的组装和求解，也称为波前法，其求解速度快计算精度高，但是需要大容量的硬盘空间储存中间数据。使用当前载荷步(Current LS)开始求解。有限元计算完毕以后，使用ANSYS的后处理功能，利用计算出的箱体各个单元的节点位移，来确定各个单元的应力大小，以及整个结构变形情况和应力分布情况。
图4-5是箱体在五档工况下的综合位移(SUMxyz)变形图：

图4—5变速器箱体的综合变形图
从上图可以看出，相对于支座固定位置的最大位移值为0．125mm，发生在变速箱边缘红色区域标有Mx标志处。可以看到各轴承支撑位置隔板在0，12mm至0．07ram之间，由于各轴的支撑轴承都有一定的变形间隙，箱体的变形对传动过程影响不大。针对箱体的铸铝材料，其强度条件采用第一强度(最大拉应力)理论和第二强度(最大拉应变)理论进行判断“”。在ANSYS的后处理模块中分别导出箱体的第一、第二强度理论的应力分布云图如下图4-6和4—7：

闰4—6变速器箱体的第一强度理论应力云图
从图4—6可以看出变速器箱体外表面的第一强度理论应力较小，大都分布在l 14MPa至010．029MPa之间，后箱体上靠近固定支座位置附近出现应力最大值为77．045MPa，而各轴承支撑处的应力值大约分布在32．368MPa至lJ65．876MPa之间。

图4—7变速器箱体的第二强度理论应力云图
变速器箱体的第二强度理论应力分布与第一强度理论应力分布基本一致，且其值比较小最大值只有41．488MPa，不再加以分析，以第一强度理论应力值作为强度判据。根据以上变速器箱体各应力分布云图可知具体数据如下：
第一强度理论应力最大值为： 77．045MPa：箱体内部应力最大值为： 6B．876MPa：第二强度理论应力最大值为：41．488MPa：变速器箱体的材料为ADCl2，其抗拉强度盯。=329 MPa，，取安全系用应力为b1H 164，5MPa。从有限元分析的结果可以看出各应力的最大值与许用应力相比较小，说明变速器箱体有一定的强度储备。而从箱体的综合变形分布图可以看出，变速箱体各部分的变形比较小，最大变形0．125mm并且出现在距离变速器传动关键部件较远的后箱体边缘处，说明变速器箱体的受力变形对变速器的正常工作影响较小。通过列M5ZRl变速器箱体进行的有限元结构强度计算分析，该变速器箱体的强度及刚度均满足使用要求，安全可靠。