变速箱壳体设计探析

郜培丽

摘 要：变速箱壳体零件是变速箱中的非常重要的一个部件，变速箱壳体与其他部件，例如齿轮、轴承、轴顶等等零件，从而组成一个整体。在功能相互作用之下，每一个零件都有自己正确的位置，而且根据一定的传动关系对协调传递动力进行传递。变速箱殼体的体型比较大，而且结构比较复杂。本文对汽车变速箱壳体流程进行分析，并且结合拓扑理论对变速箱壳体结构优化设计进行了深入分析，旨在提高产品的质量。

关键词：变速箱壳体；设计；工艺

1 变速箱壳体设计流程

变速箱壳体在设计初期需要确认汽车的边界，其中包括了与壳体匹配的发动机边界，外部整车环境的情况以及内部零部件的结构布置等等。通常要将对布置结构进行明确之后才会进一步开展变速箱壳体的初步设计，初步设计主要是概念上的规划。概念设计的过程中，则需要考虑到拓扑优化程度，还要对强度进行分析。充分考虑到这些因素之后，可有深入分析变速箱壳体设计的相关工艺，也就是生产成品的工艺技术，包括了装配、加工与制造等等几个重要环节。

根据相关分析的结果，并将相关模型进行对比与分析，然后按照模型根据快速成型的模式开始制作加工壳体，同时还要对相关的试验进行对应的验证。对验证数据进行分析之后，能够获得下一步模型的数据，最终才能够真正设计出符合要求的变速箱壳体成品。

2 变速箱壳体结构拓扑优化设计分析

拓扑优化的主要理论是针对定点设计区域内，全面寻求能够承受的荷载或者多载荷结构的最佳材料分配。目前常用的拓扑优化方法有：均匀化方法、变密度方法、变厚度方法。如果是连续体结构的拓扑优化问题，主要涉及到静态柔度拓扑优化与结构动力学特征值优化的问题。

2.1 拓扑优化模型的建立

结构拓扑优化实际开展的过程中，必须要从实体单元或者壳单元的实际数据基础上，进一步建设拓扑优化分析模型的初步阶段。然后针对指定的拓扑优化模型中的设计，同时还需要考虑到非设计中控制机构里面的优化与不优化的区分。

例如：变速箱壳体、悬置的支架等等部门一般我们称之为费设计区域，而动力总成所涉及得到设计空间的包络而为其优化设计的领域。整个拓扑优化相关的计算需要很多的时间和精力，而且为了达到实际的需求，在优化的过程中还需要改变想相关的参数，甚至还要对控制参量进行优化，因此，整个优化过程耗时的时间特别长。

为了提高计算的效率，保障计算的质量，就需要对拓扑优化模型的单元数目进行控制，通过的做法是采用一阶单元可以合理的控制的拓扑优化的时间。基于这些因素，本文所分析的变速箱壳体采用的是一阶四二而体单元来建立拓扑优化初始模型，首先变速箱壳体内壁模拟的方式是壳单元模型，也就是我们常说的非设计区域，而其他部分就是需要进行优化的领域，针对要优化的设计域就可以利用拓扑优化将优化区域之外的材料全部优化清除，所说剩下的部分就是拓扑优化的最终结果。以此为原则，可以设计拓扑优化的初始模型，建立变速箱壳体拓扑优化模型，同时需要考虑到优化区域必须要满足汽车的最大动力，这也是变速箱壳体设计的基本目标。变速箱壳体中的有限元模型一般采用的是一阶实体四而提单元和壳单元来进行划分的，最后一共可以得到341934个实体单元和9377个壳单元，拓扑优化的模型（见图1）。

2.2 载荷、约束条件以及设计目标

在变速箱壳体中融入拓扑优化理论，拓扑优化在计算的过程中能够充分考虑到汽车档位下所能承受的一切载荷力，还需要重视动力总产量所产生载荷。一般采用方法是手工计算，根据齿轮承受力，然就分析材料所能够承受的载荷力，进而建立变速箱齿轴的详细模型。通过对模型的分析，能够对每一个档位情况下的齿轴承座的荷载进行计算与分析。在具体的设计的过程中没害需要考虑到变速箱总成在重力方向上的所有载荷，利用设立Gload值能够对垂直载荷的加载进行分析与计算，一般Gload值是需要通过路普采集与分析之后才可以进一步确定。汽车变速箱与汽车发动机的刚性相互连接，故坐标系与整车坐标系是一致的，也就是各个螺栓联接点xyz向的移动以及xz向的旋转。

静态优化设计的最终目标是为了让变速箱的壳体的刚度达到最大化，例如：变速箱壳体总量约束为17kg，占整个设计空间的15%，在拔模方向要与传动轴线相互平行，才能增加拔模方向的约束力。变速箱壳体内壁为优化区域，从壳体内壁将壳单元提取出来。基于需要约束的前提，因此要采用拓扑优化的方式最大限度的提高壳体的刚度，通过计算能够明确收敛的公差值为0.005。

动态优化设计的约束条件必须要考虑到静态拓扑优化的约束条件，另外，还需要对一阶模态的最小值进行约束，需要注意的是最小值必须大于600Hz。达到以上约束条件之后，动态拓扑优化的目标是可以让变速箱壳体的第一阶固有自然振动频率值，有效避开汽车发动机固又的频率，在400hz-600hz的情况下能够最大的限度的实现提升。

参考文献：

[1] 郭宙.某变速箱壳体液压夹具设计与分析[J].机床与液压，2015，（22）：190-191+194.

[2] 丁兆福，翁晓明，姬腾飞，武倩倩.浅析变速箱壳体设计与工艺结合[J].汽车实用技术，2015，（09）：4-6.

[3] 邓小梅，刘海云.变速箱壳体设计探讨[J].江西化工，2011，（01）：162-165.