定轴式变速箱箱体强度有限元分析

鹿飞

摘 要：目前，定轴式变速箱主要用于平地机、装载机、越野轮胎吊中，当车辆在不同路面上行驶时，易受到各种振动和冲击，满载与空载、不同档位下变速箱各部件受力差异大。因此要求变速箱壳体具备较强的强度满足不同工况的使用要求。通常变速器壳体设计是利用试验台架或通过各种道路试验现場测试获取数据进行分析，但是试验过程漫长且耗费了大量的人力和物力，影响设计进度和周期，同时也会增加设计成本。本工作针对改进后的定轴式变速箱壳体在不同档位下进行有限元分析，验证其强度。

关键词：定轴式变速箱;有限元分析;载荷

1 有限元模型

该有限元模型包括变速箱壳体（图1绿色部分）、变矩器壳体（图1黄色部分）、轴端盖（图1白色部分）。综合考虑计算的时间和精度，经过试算，主要研究区域网格大小为1mm，远离受力、接触和约束区域的网格大小为5mm较为合理。为了提高网格质量方便计算，建模时可适当对一些不关心的特征进行简化，如倒角、尖角、螺纹装饰及各种小孔。螺栓已通过校核，故变速箱壳体与变矩器壳体，轴承盖与壳体之间设置为绑定接触（Freeze）。壳体使用的材料为灰铸铁HT250，材料参数如下：

弹性模量：1.38e5（MPa），泊松比：0.156，质量密度：7.28e-6（kg/mm3），剪切模量：5.98e4（MPa）。

2 边界条件设置

根据变速箱各部件的装配关系，在变速箱壳体左右两侧和变矩器端盖螺栓连接处施加全约束如图2所示。

3 载荷的施加

通常变速箱壳体主要承受的载荷是轴承孔处的径向力和轴向力[1]，变速箱运行处于不同档位，壳体承受的载荷大小和方向各不相同。在变速箱壳体各轴承中，载荷都是通过轴承外圈或轴承座传递的，属于面上的均布载荷。因此可把径向载荷转化为均布载荷施加于轴承孔处，轴向载荷可以等效为作用在轴承盖法兰面或轴承外圈轴肩上的均布载荷[2]。为了方便，粗略计算施加径向力时可在轴承孔内部建立整圆的刚性单元。变速箱的受力来源轴承受力的计算结果。

本次工作首先对装载机变速箱工作时所有档位进行有限元分析，粗略计算变速箱壳体的应力和变形。针对应力和变形大的档位重点分析，校核壳体强度。

4 计算结果

变速箱壳体为灰铁铸件，有最低抗拉强度（250MPa）没有屈服强度，强度校核应查看最大主应力。

通过分析可知，装载机各档位应力最大值在前进1档。对最大值处进行倒角、网格细化（尺寸1mm）计算如图3所示。最大应力值为194.2MPa，最大变形量为0.1799mm（X：0.139mm;Y：0.0918mm;Z：0.136mm;），一种极限情况是主机轮胎抱死工况下，最大涡轮扭矩与离合器极限扭矩较小值作为此工况下的最大允许扭矩，即1980N.m，计算结果如图4所示。最大应力值为205.9MPa，最大变形量为0.216mm（X：0.104mm;Y：0.0762mm;Z：0.203mm;）。均小于250MPa通过强度校核。

5 讨论

从计算结果可以看出，网格细化后应力值和变形量所有增大。装载机最大应力值为194.2MPa，略低于最低抗拉强度，有待改进。装载机1档工况网格细化后应力值大幅增加，原因在于出现应力集中，轴承孔5左下角和右下角两处应力很大，其他应力较小（图3）。从变形看，几种工况最大变形区域在轴承孔5上方偏左，且X、Z方向变形量大。建议适当在变心区域壳体内侧横向加斜拉筋，增加应力值较大区域筋板的宽度。

参考文献：

[1]孙德志，郑宏远，程乃士等.金属带式无级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.

[2]王望予.汽车设计[M].4版.北京：机械工业出版社，2017：16-21.