何放 黃德健 楊曉彤
【摘 要】某車型雙離合自動變速器連接板與飛輪的裝配空間狹小,為了縮短裝配時間并實現(xiàn)輕量化設(shè)計,文章運用Ansys軟件的Workbench優(yōu)化模塊,首先對離合器連接板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析,然后對連接板進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后的樣件通過了臺架試驗和整車實驗。在滿足連接板性能的條件下,減少了裝配時間并實現(xiàn)了零件的輕量化設(shè)計。
【關(guān)鍵詞】雙離合自動變速器;連接板;Ansys;優(yōu)化
【中圖分類號】U463.212 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688(2017)05-0054-04
0 引言
變速器是汽車動力總成中的重要部件,對汽車的動力性、經(jīng)濟性、舒適性都起著關(guān)鍵的作用,其性能已成為人們在購車時的重要參考指標(biāo)。隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展及顧客的要求越來越高,變速器的技術(shù)也在不斷地發(fā)展和進(jìn)步,雙離合自動變速器對汽車的燃油經(jīng)濟性、整車動力性和換擋平順性都有較大的提高,因此在國內(nèi)外都迅速普及開來,并得到消費者的青睞。
雙離合自動變速器連接板(簡稱連接板)是匹配雙離合自動變速器車型傳動系中的重要一環(huán),某車型的連接板通過6顆螺栓將變速器的雙離合器與發(fā)動機飛輪連接起來,并將發(fā)動機扭矩傳遞給變速器,再傳遞到連接的驅(qū)動軸及車輪實現(xiàn)車輛行駛。連接板外形和數(shù)模剖視圖如圖1所示。
在項目開發(fā)初期的整車試裝過程中,裝配人員發(fā)現(xiàn)連接板與飛輪之間的裝配空間狹小,需要通過發(fā)動機缸體上的“窗口孔”進(jìn)行安裝,如圖2所示,在如此狹小的空間內(nèi)裝配6顆螺栓的時間過長,不能滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求。
為了方便裝配人員裝配,減少裝配時間,滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求,且減輕零件重量,節(jié)約單件成本,本文應(yīng)用Ansys軟件對連接板結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,并根據(jù)分析結(jié)果對連接板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
Ansys軟件的分析流程如圖3所示。
1 導(dǎo)入3D數(shù)模&建立有限元模型
利用UG軟件建立該連接板系統(tǒng)的3D數(shù)模,為了使分析結(jié)果更接近真實情況,需考慮與連接板相關(guān)聯(lián)的零部件,因此該連接板系統(tǒng)包含連接板、飛輪、焊接螺母和連接螺栓(如圖4所示)。再將建立的3D數(shù)模導(dǎo)入Ansys軟件中,根據(jù)條件建立連接板的有限元模型(如圖5所示)。
2 連接板有限元分析
2.1 材料特性
在做連接板的靜力強度分析時,還需要考核相應(yīng)的連接螺栓強度,選用螺栓規(guī)格為六角法蘭面螺栓M8×1×12,此連接板系統(tǒng)中各個零件的材料特性見表1。
2.2 施加載荷
在連接板與雙離合器輸入端的花鍵連接部位施加固定約束,同時在連接螺栓上施加螺栓預(yù)緊力,螺栓預(yù)緊力取14 000 N;在飛輪與曲軸連接處施加發(fā)動機的最大扭矩,即220 N·m,該狀態(tài)為連接板系統(tǒng)受力的極限工況,用于分析連接板與連接螺栓的應(yīng)力情況。
2.3 分析結(jié)果
經(jīng)過Ansys分析處理后,提取連接板與連接螺栓的應(yīng)力情況(如圖6、圖7所示)。
由圖6可知,在臨界狀態(tài)下,連接板最大應(yīng)力在與飛輪螺紋的連接處和與雙離合器花鍵的連接處,為15.46 MPa,安全系數(shù)取2.0,結(jié)果為30.92 MPa,遠(yuǎn)小于連接板材料的許用應(yīng)力745 MPa,屬于過設(shè)計,可以考慮對連接板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,達(dá)到減重和降成本的目的。
由圖7可知,在臨界狀態(tài)下,連接螺栓最大應(yīng)力為536.13 MPa,安全系數(shù)取1.2,結(jié)果為643.36 MPa,遠(yuǎn)小于連接螺栓材料的許用應(yīng)力1 000 MPa,屬于過設(shè)計,可以考慮對連接螺栓的數(shù)量和排布進(jìn)行優(yōu)化,達(dá)到減少裝配時間、減重和降成本的目的。
2.4 優(yōu)化設(shè)計分案及模型
針對以上分析結(jié)果,采用如下方案對連接板系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計:連接板最大應(yīng)力在與飛輪螺紋的連接處和與雙離合器花鍵的連接處,而它們之間的區(qū)域受力比較小,對連接板強度與剛度貢獻(xiàn)小,考慮對稱及應(yīng)力集中等因素,在此區(qū)域采用沖孔減重設(shè)計,并將6顆螺栓連接的結(jié)構(gòu)改為勻布的3顆螺栓結(jié)構(gòu)。
優(yōu)化設(shè)計后的3D數(shù)模和有限元模型分別如圖8、圖9所示。
2.5 優(yōu)化設(shè)計后的分析結(jié)果
采用與優(yōu)化設(shè)計前相同的材料特性及施加載荷情況,分析計算連接板與連接螺栓的應(yīng)力情況,分析結(jié)果如圖10、圖11所示。
把優(yōu)化前后連接板和連接螺栓的質(zhì)量和最大應(yīng)力的變化匯總成表2,從表2可以看出:優(yōu)化后連接板的質(zhì)量下降了0.19 kg,最大應(yīng)力雖然增加到24.97 MPa,但小于連接板材料的最大許用應(yīng)力745 MPa,符合設(shè)計要求;優(yōu)化后的連接螺栓質(zhì)量下降了0.039 kg,最大應(yīng)力雖然增加到764.65 MPa,即使考慮1.2的安全系數(shù),最大應(yīng)力為917.58 MPa,仍小于連接螺栓的最大許用應(yīng)力1 000 MPa,符合設(shè)計要求。
3 優(yōu)化設(shè)計后的驗證
連接板作為汽車傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件,必須通過臺架試驗、實車裝配、整車試驗去驗證優(yōu)化設(shè)計的可靠性。
對優(yōu)化后的樣件進(jìn)行靜扭臺架試驗,實驗方法如下:把連接板固定在臺架上,從0 N·m開始逐步加載至規(guī)定扭矩為止,記錄扭矩和轉(zhuǎn)角,之后卸載扭矩至0 N·m,記錄此時扭矩和殘余角。實驗結(jié)果見表3,連接板未見損壞,試驗通過。
對優(yōu)化后的樣件進(jìn)行交變載荷臺架試驗,試驗工況見表4,實驗結(jié)果如圖12所示,連接板在3種工況下均無裂紋和損壞,試驗通過。
按照優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)制作樣件進(jìn)行實車裝配,裝配人員反饋比優(yōu)化前更容易裝配且節(jié)省裝配時間,能夠滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求。
最后進(jìn)行整車道路試驗,試驗完成后拆解變速器,發(fā)現(xiàn)連接板無破損,試驗通過。
綜上可知,優(yōu)化后的連接板能夠滿足設(shè)計要求。
4 結(jié)論
汽車由上千個零部件組成,這些零部件之間的連接結(jié)構(gòu)非常重要,在設(shè)計時不僅需要考慮滿足其功能性要求,還需考慮裝配的可行性與便利性,以及考慮減重設(shè)計來達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計方案。
本文通過運用Ansys軟件對連接板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,能夠快速指導(dǎo)連接板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,可以減少或避免多次臺架試驗,從而縮短開發(fā)周期及減少開發(fā)費用。
優(yōu)化設(shè)計后的連接板在滿足性能的前提下,不僅更容易實現(xiàn)變速器與發(fā)動機的裝配,減少了裝配時間,還節(jié)省了3個螺栓的成本,以及減輕了連接板的重量和節(jié)省了連接板的成本,使產(chǎn)品更具市場競爭力。
這充分體現(xiàn)了Ansys軟件優(yōu)化技術(shù)的優(yōu)越性,此技術(shù)可以使開發(fā)人員在開發(fā)零部件過程中不斷進(jìn)行優(yōu)化,既可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期,又可以降低生產(chǎn)成本。
參 考 文 獻(xiàn)
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[責(zé)任編輯:鐘聲賢]