详细有限元技术在MT变速器箱体结构仿真应用

佘丹丹，罗大国，陈勇，王瑞平,2

（1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江 宁波 315336；2.浙江吉利罗佑发动机有限公司，浙江 宁波 315800）

详细有限元技术在MT变速器箱体结构仿真应用

佘丹丹1，罗大国1，陈勇1，王瑞平1,2

（1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江 宁波 315336；2.浙江吉利罗佑发动机有限公司，浙江 宁波 315800）

箱体作为变速器的关键部件，其强度、刚度最终对变速器的使用寿命、NVH性能、密封性能产生重要影响。通过详细有限元分析技术对某MT变速器箱体的结构性能进行仿真，根据仿真结果全面排查薄弱环节及潜在风险并提出有效指导箱体结构改进的建议，计算效率及仿真精度较高，在产品开发阶段有非常优越的工程应用价值。

变速器箱体；详细有限元；强度；刚度

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-33-03

引言

变速器箱体作为变速器的主体承载结构，其中所有齿轮、轴与轴承、换挡机构、控制机构的质量及变速器运转时产生的载荷等都将传递到变速器箱体，同时变速器箱体的强度是变速器的承载性能的关键影响因素之一，传动部件的使用寿命及整个变速器的重要性能指标（如NVH性能）的保证需以箱体的刚度达标为前提[1]。因此在产品研发阶段，采用详细有限元技术对变速器箱体进行结构分析是必不可少的环节：一方面可获得变速器箱体在各种极限工况下的最大应力及变形，预先排查结构设计的强度及刚度薄弱区域，另一方面可根据分析结果指导箱体的结构改进，保证箱体结构强度和刚度满足设计目标的同时使得设计更加符合产业化的工艺要求[2]。总之，通过详细有限元分析可以避免变速器箱体在实际使用中常出现的强度及刚度问题，使箱体重量更轻，结构更加经济合理，同时也可缩短开发周期、减少开发成本。

1、详细有限元技术

采用详细有限元分析技术研究变速器箱体的强度、刚度，主要工作内容包含分析对象、输入参数、受载工况、有限元模型建立、结果分析等方面。

1.1 分析对象

目前，主要分析对象为变速器箱体，3D模型中除包含变速器箱体外，还需带有与变速器箱体接触且后期加载需要使用的零件轴承外圈，连接前后箱体的螺栓，起轴承限位作用的轴承压板。3D数模格式需转化为实体，箱体数模不允许存在破面，3D数模中各零件的装配位置需与实际使用工况保持一致。

1.2 输入参数

材料参数：变速器的前、后箱体材料为ADC12，螺栓材料、轴承压板为45号钢，其参数如表1所示。

表1 材料机械性能参数

1.3 受载工况

变速器箱体所受的轴承载荷主要来自齿轮与轴在传递扭矩时通过轴承传递给箱体轴承座位置的各个方向上的压力及扭矩。箱体详细有限元分析，需先考虑箱体装配工况，即轴承外圈与箱体的配合、螺栓预紧力、工作温度工况；再考虑变速器运转时轴承力工况。输入扭矩为250N·m，各个档位工况下的箱体所受轴承力及扭矩大小和方向可以通过kisssoft软件提取。此款变速器箱体2档工况所受载荷较大，故以2档工况为例进行建模，箱体所受载荷见表2。

1.4 有限元建模

此次分析采用ABAQUS软件，先将3D模型导入前处理软件Hypermesh，进行干涉检查几何清理。螺栓、轴承、轴承压板采用六面体划分，前后箱体采用4面体网格划分，网格尺寸为5mm，加强筋部位网格划3～5层，为保证计算模型收敛性且不产生严重畸变，网格质量检查tet collapse数值保证大于0.15，最小网格尺寸保证大于0.35，其余参数采用软件默认数值进行评价。本次分析变速器箱体网格模型如图1所示。

建立轴承外圈与箱体轴向、径向接触面，轴承外圈的轴向接触面与径向接触面之间保证无共节点，箱体接触面参考轴承建立，箱体与轴的轴向接触对单元保证有2～3排，便于删除共节点的单元后仍有单元可用于建轴向接触对。轴承与轴承压板，轴承压板与箱体、前后箱体合箱面建接触对。

定义包含所有网格的单元集，便于施加温度，建立后续施加螺栓参数时使用的每个箱体体螺栓孔位置节点集，如需提取每个螺栓在轴承载荷作用工况时的受力，则建立每个螺栓预紧力控制点的Tag标签。

创建螺栓预紧力作用面和控制节点，建立螺栓与箱体法兰面接触对，建立螺栓与箱体、螺栓与轴承压板螺纹连接接触对，此接触对需选用small-sliding，再通过clearance bolt设置螺栓与箱体、螺栓与轴承压板的配合（正值表示间隙负值表示过盈），螺栓参数需包含螺旋角、节距、螺栓中径[3]。

表2 2档工况载荷

建立用于施加轴承载荷的RB3单元，并把此单元中心节点建立节点集，如施加不同档位工况的轴承载荷，可直接修改inp文件中参数，建模效率得到极大提高。

根据表1中材料参数定义材料弹性模量及泊松比，并赋予箱体、轴承外圈、轴承压板、螺栓相应材料属性[4]。通过constraints约束变速器前箱体与发动机安装面螺栓孔X、Y、Z三个方向移动自由度，如图2中红色所示。施加2档轴承载荷到RB3单元中心节点集，施加预紧力18000N到螺栓预紧力接触对的控制节点。建立分析步，初始温度20°，分析工况依次为轴承外圈与箱体配合、螺栓预紧力、温度115°、轴承载荷，在温度工况分析之前螺栓长度可调整，温度工况与轴承载荷工况需要提取每个螺栓受力，故螺栓长度需选fixed进行控制[3]。输出变速器箱体变形、应力、螺栓受力。全部设置完毕后导出inp文件到ABAQUS软件进行计算。

2、计算结果分析

由图3、4可知，前箱体的最大应力为115.7Mpa，后箱体的最大应力为83.76Mpa，均小于材料抗拉极限330Mpa，最小安全系数为330/115.7=2.85，设计目标安全系数为2，故静强度满足设计要求。

由图5、6可知，前箱体的最大变形为0.206mm，发生在输出一轴轴承座位置，后箱体的最大变形为0.227mm，发生在差速器轴承座位置，此款箱体对轴承座变形量要求低于0.2mm，由于四面体网格单元刚性较大，实测变形量的数值通常高于仿真结果，故仿真时轴承座变形量以0.18mm作为评价标准。此款箱体的轴承座变形均大于评价标准，轴承座变形量数值过大将引起轴的变形、齿轮接触形式的改变，从而影响整个变速器NVH性能。如果传动系长期处于非正常运转状态，会极大降低变速器的使用寿命。故此款箱体仍需通过加筋、或将已有筋加厚的方式提高轴承座位置的刚度。

由图8可知螺栓13、14的受力大于螺栓最大预紧力18000N，螺栓将会破坏，从而不能保证前后箱体合箱面接触良好，存在使变速器产生漏油的风险。故需增加螺栓个数，要增加螺栓的区域见图7箱体上螺栓13、14位置。

3、结语

本文以某MT变速器箱体的2档工况为例，从分析对象、输入参数、工况、建模、结果输出等方面介绍详细有限元分析技术，建模细节考虑全面，网格质量得到保障，计算效率和仿真精度较高，通过分析仿真结果能提出有效的箱体改进方案。因此，详细有限元分析技术有重要的工程应用价值。

[1] 王峻峰. 某重型卡车变速器箱体有限元分析与研究[D]. 沈阳:沈阳工业大学, 2010.

[2] 秦涛. 某UTV变速器啮合振动及箱体强度分析[D]. 重庆: 重庆大学, 2012.

[3] Dassault Systèmes Simulia Corp. Abaqus Keywords Reference Manual[M]. http://www. simulia.com, 2012.

[4] 石亦平, 周玉蓉. ABAQUS有限元分析实例详解[M]. 北京: 机械工业出版社, 2006.

Detailed FE Technology Applied to MT Transmission Casing Structure Simulation

She Dandan1, Luo Daguo1, Chen Yong1, Wang Ruiping1,2
（1.Ningbo Geely Royal Engine Components Co.,Ltd., Zhejiang Ningbo 315336; 2.Zhejiang Geely Royal Engine Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315800）

As the key components of the transmission, the casings' strength and stiffness will make an important influence the transmission's work life, NVH property and sealing effect finally . With the detailed FE technology, some MT transmission casings' structure performance is simulated. According to the calculation result, all the weak area and potential risk are detected. And the effective suggestion for improving the casing structure is put forward. For its high computational efficiency and accuracy of the simulation, there is a very superior engineering application value in the product development phase.

transmission casing, detailed FE technology, strength, stiffness

U463.2

A

1671-7988(2015)02-33-03

佘丹丹，硕士研究生，仿真分析工程师，就职于宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，主要从事变速器仿真分析研究工作。