摘 要

科学技术的大力发展，汽车已成为人们生活中不可替代的使用工具，变速箱作为汽车传动系统的不可或缺的部分，由多个复杂组件构成，相应的，对其的设计也愈发的严格，在满足传递功率大和噪声低的条件下，更要达到振动小、重量轻的标准。变速箱壳体结构的合理与否关系到变速箱的传动精度，设计出满足要求的壳体能使得齿轮在传动时的冲击振动最大限度的减小，通过优化材料布局还可以提高壳体的刚度，延长使用寿命。

本文以某AT变速箱壳体为仿真对象。首先，自动变速器壳体的三维结构模型由UG软件建立。仿真分析软件Hypermesh建立其有限元模型，各工况轴承力的获取可以通过手工计算或者使用虚拟仿真软件建立齿轮传动系统模型，模拟变速器实际工况。提取各档位轴承力作为Hypermesh软件中的约束载荷，设置边界条件，进行变速器壳体的结构静力学仿真分析，得到变速器壳体的应变和应力云图。然后利用HyperWorks软件对变速箱壳体进行模态仿真分析，得到各阶模态振型形态。

基于静力学分析的结果，结合拓扑优化理论，进行变速箱壳体的结构拓扑优化分析，找出壳体结构上最薄弱、最有可能发生断裂的区域。通过改善壳体结构保证变速箱壳体结构刚度和固有频率获得较大幅度的提高，从优化结果来看，拓扑优化在改善壳体静动态特性和减轻壳体重量方面行之有效，此举为变速箱等壳体类结构的轻量化设计提供了方向。

关键词:变速箱壳体，静力分析，模态分析，拓扑优化，轻量化

Abstract

With the development of science and technology, automobiles have become an irreplaceable tool in people's lives. As an indispensable part of the automotive transmission system, the gearbox is composed of a number of complex components, and correspondingly, its design is becoming more and more strict. Under the condition of satisfying the transmission power and low noise, it is necessary to achieve the standard of small vibration and light weight. The reasonableness of the transmission housing structure is related to the transmission accuracy of the gearbox. Designing a housing that meets the requirements can minimize the impact vibration of the gear during transmission. The rigidity of the housing can be improved by optimizing the material layout. Extended service life.

This article uses an automatic transmission housing as the simulation object. First, the three-dimensional structural model of the automatic transmission housing is built by the UG software. The simulation analysis software Hypermesh establishes its finite element model. The bearing force can be obtained by manual calculation or using virtual simulation software to simulate the actual working condition of the transmission. The bearing force of each gear is extracted as the restraining load in the Hypermesh software, the boundary conditions are set, and the structural statics simulation analysis of the transmission housing is carried out to obtain the strain and stress cloud diagram of the transmission housing. Then, the modal simulation analysis of the gearbox housing is carried out by using HyperWorks software to obtain the modes of various modes.

Based on the results of static analysis, combined with the topology optimization theory, the structural topology optimization analysis of the gearbox housing is carried out to find the weakest and most likely fracture zone in the shell structure. By improving the housing structure, the structural rigidity and natural frequency of the transmission case are greatly improved. From the optimization results, topology optimization is effective in improving the static and dynamic characteristics of the housing and reducing the weight of the housing. The lightweight design of the housing-like structure, such as the gearbox, provides the direction.

Keywords: gearbox housing, static analysis, modal analysis, topology optimization, lightweight

目录

第1章 绪论 1

1.1 本课题研究的目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3本文的主要研究内容 2

第2章 变速器壳体的有限元建模 4

2.1 有限元法概述 4

2.2 建立壳体三维模型 4

2.2.1 壳体的设计要求 4

2.2.2壳体的选型及固定形式 5

2.2.3壳体材料的选择 5

2.2.4建立壳体三维模型 5

2.3变速器壳体有限元模型的建立 6

2.3.1几何模型的导入 6

2.3.2 几何清理 6

2.3.3 网格划分及质量检查 6

2.3.4 材料特性参数 8

第3章 变速器壳体的有限元静力学分析 8

3.1变速器壳体结构各轴承载荷计算 8

3.1.1 建立齿轮传动系统虚拟仿真模型 8

3.1.2 变速箱结构在各档位下各轴承载荷受力分析 9

3.2变速箱壳体结构静力学仿真分析 10

3.2.1变速器壳体静强度分析理论 10

3.2.2变速器壳体静力学分析边界条件 11

3.2.3载荷施加分析 11

3.2.4变速器壳体结构静力学仿真分析结果 12

3.2.4.1 I挡工况下静力学分析结果 12

3.2.4.2 倒挡工况下静力学分析结果 14

第4章 变速器壳体的模态分析 16

4.1 变速箱壳体结构模态仿真分析理论 16

4.2 变速器壳体的有限元模态分析 17

4.2.1 自由模态分析 17

4.2.2 约束模态分析 19

第5章 变速器壳体的结构拓扑优化设计 21

5.1 结构优化设计 21

5.1.1 结构优化设计的特点 21

5.1.2 结构优化设计的分类 22

5.2 变速箱壳体结构拓扑优化 22

5.2.1 壳体拓扑优化三要素 22

5.2.2 变速箱壳体结构拓扑优化仿真分析 23

5.2.3 变速箱壳体结构拓扑优化结果分析 23

第6章 总结与展望 24

6.1总结 24

6.2展望 24

致谢 26

参考文献 27

第1章 绪论

1.1 本课题研究的目的和意义

汽车工业迅猛发展，汽车保有量大幅增加，人们的生活也愈发的便利，但从长远来看，汽车数量的增加使得油耗、排放和安全这三大问题日益凸显^[1]。研究发现，汽车油耗量与自身质量成线性关系，不难理解，汽车质量越大，油耗便越高，尾气排放量越多^[2]。数据表明，汽车每减少100kg, 燃油节省0.3～0.5L/(100 km) ,CO2排放量减少8～11g/(100 km)^[3] 。因此发展汽车轻量化可有效降低能耗减少排放，缓解汽车工业发展和能源、环境之间的矛盾。

变速箱是汽车传动系统的重要组成部分，变速箱重量大约占了整车的5%^[4]。

而其中变速箱壳体又是变速箱不可或缺一环，它与齿轮、轴承、轴顶等零件构成一个整体^[5]。壳体的存在能让轴齿系统和换挡操纵系统在空间上保证精确的相对位置,这点可确保动力传递的精度;另一方面，变速箱的控制与润滑也得益于壳体的存在，因为壳体可用于形成变速器液压系统油路^[6]。

以往设计变速器的方法，增加壳体的壁厚以提高刚度是常规操作，防止裂纹和变形的产生，但这种方法也有局限性，壁厚的增加无疑提高了壳体自身重量，影响汽车的动力性和经济性^[7]，因此开展变速箱壳体轻量化设计是十分必要的。

轻量化的实现途径分为两种：第一种是更换材料，将原有材料换做强度更高、质量更轻、力学性能更好的新材料；第二种是结合有限元法和加工工艺对零件的结构进行处理，尽量保证在性能不削弱的情况下最大限度地减轻汽车零部件的质量^[8]。

目前，第一种方法虽说有巨大的潜力，但其缺点也很明显，不仅成本高，更重要的是技术不成熟，这些困难表明通过轻质材料减轻汽车自重在现阶段很难实施^[9]。随着CAE技术的日渐成熟，结合有限元理论的结构优化方案已经运用到汽车设计、研发和制造等各个环节^[10]。现阶段，通过结构优化实现轻量化的方法已运用到产品设计前期，在实现汽车轻量化的同时，兼顾汽车操控性和安全性，还可以平衡成本和安全两者的关系。另外，制造工艺的发展，出现了使结构“以空代实”，通过简化结构实现轻量化的方法^[11]。

1.2 国内外研究现状

关于变速箱壳体结构优化国内外的发展，1980年，国外学者结合结构优化设计技术和刚柔体耦合动力学仿真技术，使变速箱壳体在动载荷下工作，分析其动态特性，根据强度分析结果，对壳体进行整体结构改进，以此来实现变速器箱体轻量化^[12]。

国内关于变速箱壳体结构优化这一方面的研究才刚起步，传统的设计方法一般结合有限元理论与经验设计，来达到变速箱壳体的设计的目的^[13]。赵丽娟、陈令国、刘宏梅等人，应用软件ProE建立矿用减速箱箱体的三维数字模型^[14]，用有限元软件ANSYS分析了其箱体的结构，找出了箱体结构的最薄弱的地方，并且对其箱体的结构进行了优化方改进，改进后的箱体重量相比改进前减少了531k。

近几年，国内的很多学者也相继开展了关于变速箱壳体等零部件的轻量化设计，做了大量的试验研究。马闯等人结合工程经验和试验对汽车真空助力器的前壳体开展轻量化设计研究。宋春雷等人利用有限元技术对驱动桥的差速器壳体轻量化进行分析。彭帮亮等利用拓扑优化技术对变速器壳体进行轻量化设计。陈黎卿等人采用微粒子群优化算法对差速器壳体进行轻量化设计^[15]。

1.3本文的主要研究内容

变速箱由多个复杂构件组成，在变速箱工作过程中，壳体内各零件都处于振动的状态，而此时的壳体就起到支撑和定位零件的作用，若壳体的结构性能越良好、刚强度更高，就能适应更为恶劣的工作环境。

先进的非线性拓扑优化方法已成为动力总成结构轻量化和性能设计最有前景的技术。鉴于此，本文以某AT变速箱壳体为仿真对象，对其有限元模型进行结构强度分析、结构模态分析。然后基于分析结果,以位移、应力、一阶固有频率和体积比为约束,以组合应变能指标为目标对壳体进行动静态联合拓扑优化。以到达结构强度和稳定性不减弱的同时，实现变速箱壳体的轻量化的目的。

第一章:绪论。结合当前背景阐述开设本课题的目的以及研究的意义，简述国内外学者关于变速箱壳体结构优化现状，知晓其在动静态特性分析方法上的创新之处。

第二章:变速器壳体的有限元建模。概述有限元分析法的基本思想与步骤，明确变速器壳体的设计要求，根据变速箱空间结构，采用UG NX11.0建立变速箱壳体结构三维模型，在Hypermesh中建立该变速器壳体的有限元模型。

第三章:变速器壳体的有限元静力学分析。以变速箱结构工作特性为依据，以Romax为工具，建立简易的齿轮传动系统仿真模型，并在各档位下分析变速箱结构各轴承载荷受力情况，提取一档以及倒档轴承力，并以此载荷为输入条件进行变速器壳体的静力分析。

第四章:变速器壳体的模态分析。叙述模态分析基本理论，用Hypermesh开展变速器壳体的结构模态仿真分析，通过分析Hyperview中的模态振型图，可以获得变速箱的模态参数，判断壳体固有频率是否满足要求。

第五章:变速器壳体的结构拓扑优化设计。概述结构优化设计的特点与实现方法，明确拓扑优化设计的三要素，基于前面的静力分析与模态分析结果对壳体进行拓扑优化设计，分析变速箱壳体结构薄弱部位。在保证强度和性能不变的前提下达到减轻重量的效果。

第六章:总结与展望。总结本文中已完成的工作内容，记录未完成的工作，为后续工作提供方向。

第2章 变速器壳体的有限元建模

2.1 有限元法概述

有限元法是多门学科综合发展而来的产物，其中设计到力学、数学、物理学和计算机技术等。它属于一种数值方法，通常用以求解一般连续域问题。有限元方法能分析任意复杂的工程结构，通过分析结果，根据读取出的性能信息评判工程结构是否合理，该方法在工程领域应用广泛。

有限元方法的实质是一个转换问题，转无限自由度为优先自由度，划分复杂连续体为数目规模适中的单元体，这些单元体适合分析，其中的中心思想就是先化整为零，后积零为整。通俗来说就是把一个结构视作由若干通过结点相连的单元组成的整体，首先分析这些单元，而后再组合单元代替原有结构分析整体。有限元法在数学领域表述为将连续场函数的（偏）微分方程的求解问题，通过一定的变换，转为有限个参数的代数方程组的求解问题。

分析工程领域的工程结构时，将一个三维结构模型离散化后，我们关注的主要内容便是如何保证求解的数值的收敛性和稳定性，求解数值的收敛性与单元的划分方式密切相关，单元形状决定了数值是否稳定。

有限元分析一般分为四个步骤:(1)划分设计区域，离散成有限个元素的集合;(2)分析各个单元的特性;(3)将单元集合成一个整体;(4)求解近似变分方程。

2.2 建立壳体三维模型

2.2.1 壳体的设计要求

在变速箱壳体的设计中要能做到满足下列要求:

1. 强度高，质量轻
2. 易于装配和拆卸
3. 能有效隔离变速器工作中产生的噪声
4. 支撑和定位零件，使轴齿系统相对位置精确
5. 散热性能良好
6. 吸收力和力矩;
7. 倒挡支承应加在以0°或90°角安装的高的加强筋上
8. 壳体上分布的加强筋应沿着法向主应力的方向

2.2.2壳体的选型及固定形式

变速箱壳体成为分开式壳体或槽式壳体。按照轴的位置或分开面的位置分开式壳体又有顶部装料式壳体和端部装料式壳体两种形式。本文中汽车变速器壳体采用的是端部装料式设计。

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