王 艷

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，安徽 滁州 239000）

基于Solidworks Simulation純電動(dòng)汽車(chē)變速器箱體有限元分析

王 艷

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，安徽 滁州 239000）

前期已經(jīng)對(duì)某電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行基于能量利用率的傳動(dòng)比設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出自動(dòng)變速器傳動(dòng)方案及其尺寸。本文采用Solidworks軟件建立箱體結(jié)構(gòu)模型，并以Solidworks Simulation對(duì)箱體前蓋和后蓋分別進(jìn)行有限元分析，得出最大應(yīng)力值及出現(xiàn)位置。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的自動(dòng)變速器既滿足能量利用率最優(yōu)又符合靜強(qiáng)度要求。

能量利用率；變速器箱體；Solidworks Simulation；有限元分析

隨著能源與環(huán)境問(wèn)題的日益凸顯，發(fā)展新能源汽車(chē)已經(jīng)成為各國(guó)政府和汽車(chē)行業(yè)的共識(shí)。以解決環(huán)保需求與能源危機(jī)問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的研究已經(jīng)成為全世界高新技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)之一。電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展必然也隨之帶動(dòng)了自動(dòng)變速器在電動(dòng)汽車(chē)上的廣泛應(yīng)用。為了兼顧車(chē)輛動(dòng)力性能和能耗經(jīng)濟(jì)性，針對(duì)主要在市區(qū)和城市近郊使用的電動(dòng)汽車(chē)兩前進(jìn)擋自動(dòng)變速器進(jìn)行設(shè)計(jì)。前期已經(jīng)對(duì)自動(dòng)變速器進(jìn)行了傳動(dòng)比及其箱體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，有必要對(duì)所設(shè)計(jì)的變速器箱體進(jìn)行有限元分析，因?yàn)樽兯倨鞑粌H結(jié)構(gòu)要合理，強(qiáng)度還要符合要求，否則會(huì)引起箱體的損壞。以往箱體的設(shè)計(jì)主要通過(guò)類比同類產(chǎn)品，僅依據(jù)經(jīng)驗(yàn)增加箱體的壁厚來(lái)提高箱體剛度，這樣做的結(jié)果，只會(huì)增加生產(chǎn)材料的使用量，最終產(chǎn)品變重、成本變高［1］?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的有限元法可以極大地改善此局面，利用它可以計(jì)算出在給定工作條件下零件的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，這些結(jié)果為分析所設(shè)計(jì)的零件是否合理、是否具有足夠的強(qiáng)度，進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了可靠的理論依據(jù)。

1 前期設(shè)計(jì)介紹

1.1 傳動(dòng)比設(shè)計(jì)及整車(chē)參數(shù)

前期已做的工作是采用效率最優(yōu)設(shè)計(jì)思路進(jìn)行傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)。由于電動(dòng)汽車(chē)多是以常規(guī)速度行駛，因此改變傳統(tǒng)的以爬最大坡度和最高檔時(shí)電機(jī)效率最高設(shè)計(jì)傳動(dòng)比的思路，在確定傳動(dòng)比時(shí)，按同時(shí)滿足常規(guī)行駛車(chē)速及爬坡時(shí)電機(jī)工作的效率最高進(jìn)行設(shè)計(jì)；而在最高速行駛時(shí)只需要滿足行駛阻力總功率小于電機(jī)的額定功率。以所開(kāi)發(fā)的某款純電動(dòng)汽車(chē)為例，根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速數(shù)值關(guān)系的擬合曲線，得出電機(jī)的效率達(dá)到最高時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與輸出轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系式；結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)在爬坡度為30%，以20Km／h的車(chē)速行駛和常規(guī)車(chē)速45Km／h行駛時(shí)的狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩平衡圖，得出電機(jī)最高效率時(shí)的電機(jī)的轉(zhuǎn)速n；再由轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)系總傳動(dòng)比之間的關(guān)系式計(jì)算出各擋位下傳動(dòng)系總傳動(dòng)比i1、i2及主減速器傳動(dòng)比i0。

綜合設(shè)計(jì)結(jié)果的整車(chē)參數(shù)如下：電機(jī)額定功率Pe＝42KW，最大功率Pmax＝90KW，單個(gè)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速nmax＝10500rpm，最大轉(zhuǎn)矩Tmax＝250N.m整車(chē)整備質(zhì)量（1200Kg）；傳動(dòng)系效率ηT（0.9）；輪胎半徑r（0.28m），最高車(chē)速Vmax＝85Km／h；常規(guī)車(chē)速V＝45Km／h.低速擋I擋時(shí)的傳動(dòng)系總傳動(dòng)比為i1＝13.9；高速擋II擋傳動(dòng)系總的傳動(dòng)比為i2＝1.25；低速擋傳動(dòng)比ig1＝3.5，高速擋傳動(dòng)比ig2＝0.3125，主減速器傳動(dòng)比i0＝4.0。

1.2 兩前進(jìn)擋自動(dòng)變速器傳動(dòng)方案

如圖1所示為設(shè)計(jì)的自動(dòng)變速器傳動(dòng)方案。由于電機(jī)本身具有反轉(zhuǎn)功能，因此可以使用電機(jī)的反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)倒擋。兩個(gè)前進(jìn)擋可以使用一個(gè)同步器來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖中，該變速器傳動(dòng)系統(tǒng)包括輸入軸4，空套在輸入軸4上的大齒輪3和小齒輪9，與輸入軸用花鍵聯(lián)接的同步器10，輸出軸2，與輸出軸2固定的小齒輪12和大齒輪11，滾珠絲杠6，與滾珠絲杠相連的撥叉7，驅(qū)動(dòng)絲杠的小電機(jī)8。另外與輸出軸2相連的大電機(jī)，以及與輸出軸相連的主減速器和差速器在圖中未標(biāo)出。

圖1 兩前進(jìn)擋自動(dòng)變速器傳動(dòng)方案圖

2 基于solidworks2009的變速器箱體三維建模

變速器箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括：（1）軸位置設(shè)計(jì)：在端面上主要有四根軸需要支撐，分別是驅(qū)動(dòng)絲杠的小電機(jī)軸、輸入軸、輸出軸、差速器軸。其中三根軸成三角布置，一根軸與主動(dòng)軸成傾斜布置，在端面上開(kāi)四個(gè)孔用于支撐。（2）結(jié)構(gòu)圓角設(shè)計(jì)：圓角半徑為10mm。（3）殼體方案設(shè)計(jì)：選擇前后殼體，側(cè)面開(kāi)槽，端面開(kāi)孔的方案，不僅能夠滿足裝配要求，使得結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)方便，同時(shí)也利于建立三維模型和有限元分析。

綜合上述主要部件方案設(shè)計(jì)，solidworks2009得到的箱體前后蓋總成模型如圖2所示。

圖2 變速器箱體模型

3 基于solidworks simulation自動(dòng)變速器箱體的有限元分析

3.1 SolidWorks Simulation概述

Simulation是Solidworks公司推出的一套有限元分析軟件。它作為嵌入式軟件與Solidworks無(wú)縫集成，在不出CAD環(huán)境下就可對(duì)所建模型進(jìn)行分析。普通的工程師就可以進(jìn)行分析，并迅速得到結(jié)果。從而可以大大縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加大利潤(rùn)空間。它能夠進(jìn)行應(yīng)力分析、應(yīng)變分析、熱分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、線性和非線性分析等。Solidworks Simulation憑借著快速解算器的強(qiáng)有力支持，使得能夠使用個(gè)人計(jì)算機(jī)快速解決大型問(wèn)題［6］。在應(yīng)用Simulation進(jìn)行分析時(shí)，一般遵循以下步驟：創(chuàng)建算例、應(yīng)用材料、添加約束、施加載荷、劃分網(wǎng)格、運(yùn)行分析和分析結(jié)果［2］。

3.2 創(chuàng)建算例、應(yīng)用材料

首先，建立一個(gè)靜態(tài)算例。箱體材料為鑄造鋁合金材料鋁硅合金ZL104，主要參數(shù)為：彈性模量為71GPa，泊松比為0.33，屈服強(qiáng)度為225MPa，質(zhì)量密度為2800Kg／m3。

3.3 分析前載荷計(jì)算

變速器內(nèi)齒輪和軸作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和彎矩作用在軸承上，因而變速器箱體軸承孔壁的受力狀態(tài)主要由箱體內(nèi)齒輪和軸等傳動(dòng)裝置的尺寸參數(shù)決定。載荷分為徑向載荷和軸向載荷。作用在軸上的軸向載荷認(rèn)為由各滾動(dòng)體平均分擔(dān)；軸承徑向載荷的傳遞特點(diǎn)是：內(nèi)圈上半圈的滾動(dòng)體不受力，通過(guò)內(nèi)圈下半圈將徑向力傳遞到滾動(dòng)體上，再經(jīng)滾動(dòng)體傳遞到外圈，再由外圈傳遞到箱體［4］。分析知，變速器箱體壁主要承受壓應(yīng)力。在汽車(chē)爬最大坡度時(shí)，所需的轉(zhuǎn)矩最大，齒輪所受圓周力也相應(yīng)的較大［5］。因此這里主要對(duì)爬最大坡度時(shí)低速擋工作時(shí)載荷情況進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 低速擋（I擋）軸承受力情況 （N）

3.4 加載、網(wǎng)格劃分及運(yùn)行算例

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)箱體前、后蓋添加載荷，再對(duì)箱體劃分網(wǎng)格。單擊Simulation工具欄中的“運(yùn)行”下拉菜單中的“生成網(wǎng)格”，完成對(duì)零件的網(wǎng)格化。箱體前、后蓋網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3和圖4所示。網(wǎng)格劃分好以后，就可以進(jìn)行運(yùn)算了。單擊Simulation工具欄中的“運(yùn)行”，系統(tǒng)就開(kāi)始進(jìn)行分析，并彈出運(yùn)行窗口，顯示分析的節(jié)點(diǎn)、單元以及自由度的數(shù)目。箱體前蓋和后蓋運(yùn)算情況分別是：（1）箱體前蓋：節(jié)點(diǎn)數(shù)為103776，單元數(shù)為61912，自由度數(shù)為302706；（2）箱體后蓋：節(jié)點(diǎn)數(shù)為84862，單元數(shù)為46922，自由度數(shù)為247701。

圖3 箱體前蓋的網(wǎng)格劃分

圖4 箱體后蓋的網(wǎng)格劃分

3.5 結(jié)果分析

求解運(yùn)行結(jié)束之后，可以進(jìn)行結(jié)果分析。Simulation Study樹(shù)中具有“結(jié)果”文件夾，并且“結(jié)果”下還有應(yīng)力、位移、應(yīng)變和安全系數(shù)四個(gè)圖解選項(xiàng)?？梢钥吹阶畲髒on Mises應(yīng)力。箱體前后蓋分析結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 箱體前蓋的分析結(jié)果

圖6 箱體后蓋的分析結(jié)果

（1）由前蓋分析結(jié)果圖可知：在支撐差速器的軸孔處，所受的應(yīng)力比較大，此時(shí)箱體前蓋所受的最大應(yīng)力為17.1MPa，遠(yuǎn)小于該箱體材料的屈服應(yīng)力225MPa，因此該箱體前蓋設(shè)計(jì)是滿足靜強(qiáng)度要求的。

（2）由后蓋分析結(jié)果圖可知：在支撐差速器軸孔處所受的應(yīng)力較大，在支撐滾珠絲杠軸孔處所受的應(yīng)力較小，此時(shí)箱體后蓋所受的最大應(yīng)力為11.6MPa，小于箱體材料的屈服強(qiáng)度225MPa，因此該箱體后蓋設(shè)計(jì)是滿足靜強(qiáng)度要求的。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）箱體前蓋和后蓋最大應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度，所以是滿足靜強(qiáng)度要求的。在支撐差速器軸孔處所受的應(yīng)力較大，在支撐滾珠絲杠軸孔處所受的應(yīng)力較小，和表1中計(jì)算結(jié)果相符。

（2）箱體前蓋最大應(yīng)力處在拐角A處，所以今后在設(shè)計(jì)箱體時(shí)應(yīng)盡量避免出現(xiàn)尖銳的邊角，且在轉(zhuǎn)彎處應(yīng)使過(guò)渡盡可能的平滑。

（3）最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度，設(shè)計(jì)余量富余，后期可以進(jìn)一步對(duì)箱體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免造成材料的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)效率最優(yōu)下變速器箱體結(jié)構(gòu)的緊湊化設(shè)計(jì)。

［1］施一敏，吳光強(qiáng)，何東偉，王國(guó)華.電動(dòng)汽車(chē)兩擋變速器箱體有限元分析［J］.機(jī)電一體化，2011（4）：41－43.

［2］陳永當(dāng)，任慧泉，武欣竹.基于Solidworks Simulation的有限元分析方法［J］.CAD／CAM 與制造業(yè)信息化，2011（9）：47－51.

［3］許德珠.機(jī)械工程材料［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［4］丁守寶.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2005.12.

［5］余志生.汽車(chē)?yán)碚摚ǖ?版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

Finite Element Analysis on Automatic Transmission Box of Electric Vehicle based on Solidworks Simulation

Wang Yan

In early development，the transmission ratio has been designed based on the utilization rate of energy for an electric vehicle.The transmission scheme and the size of automatic transmission box have also been obtained.In this paper，Solidworks structure modeling of transmission box was constructed.Using Solidworks Simulation，the finite element analysis was gained on both the front cover and the back cover of the transmission box.The maximum stress was obtained and the location where the maximum stress took place was found.The results show that the design of the automatic transmission not only meets the optimal energy utilization rate but also meets the requirements of the static strength.

energy utilization rate；transmission box；Solidworks Simulation；finite element analysis

TH16

A

1673-1794（2012）05-0031-03

王 艷（1973－），女，講師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)的教學(xué)研究。

安徽省省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目（皖教高［2001］5）

2012-01-19