王玉梅

（德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東德州 253034）

0 引言

變速箱殼體是變速箱的關(guān)鍵零件，它將變速箱的齒輪、軸、軸承及撥叉等零件組裝成一個整體，并保持相互之間的正確位置，按照一定的傳動關(guān)系傳遞動力。變速箱殼體體型較大，結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，技術(shù)要求比較高，而輕量化設(shè)計成為各個車企實現(xiàn)降低油耗的重要措施之一，通過降低汽車重量，提高汽車的燃油經(jīng)濟性、節(jié)省能耗、減少污染。在不影響汽車的安全性、抗振性以及舒適性的前提下，利用拓?fù)鋬?yōu)化方法，對變速器變速箱殼體進行優(yōu)化再設(shè)計，既保證良好的使用性能，又實現(xiàn)變速器變速箱殼體輕量化設(shè)計。運用Altair Solidthink有限元軟件的Inspire對變速箱殼體進行前處理，并調(diào)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模塊進行尺寸優(yōu)化分析，實現(xiàn)變速箱的輕量化設(shè)計,得到同時滿足多工況條件下動靜態(tài)性能提高的變速箱殼體結(jié)構(gòu)，并提高材料的利用率。

1 優(yōu)化前模型的確認(rèn)

變速箱殼體材料為鑄鋁，采用高壓鑄造工藝，其彈性模量 E=75 GPa，泊松比 滋=0.3，密度 籽=2.7伊103kg/m3，屈服強度160 MPa，抗拉極限 270 MPa。

在加載條件和校核中主要考慮軸變速箱殼體內(nèi)的齒輪參數(shù)、相關(guān)軸狀態(tài)、剛度曲線等相關(guān)因素，在力平衡和力矩平衡的基礎(chǔ)上，根據(jù)發(fā)動機輸出扭矩計算出不同檔位變速齒輪箱殼體的各個軸承座上的受力情況

首先，通過Inspire軟件對變速器殼體優(yōu)化前的模型進行仿真分析。對變速箱殼體的質(zhì)量、強度和剛度進行分析和驗證，保證優(yōu)化前后變速箱殼體性能不變，同時為優(yōu)化提供目標(biāo)值和約束值。

通過仿真分析得到，變速箱殼體質(zhì)量為14.8 kg,變速箱殼體的等效應(yīng)力180 MPa，大于變速箱殼體材料的屈服強度，一階模態(tài) 680 Hz，約1000 Hz，故原模型在性能上不滿足設(shè)計要求。優(yōu)化原模型見圖1。

2 優(yōu)化模型的建立

2.1 可設(shè)計空間的提取

圖 1優(yōu)化原模型

首先提取變速器變速箱殼體的可設(shè)計空間，使變速箱殼體的模型在最大程度上充滿設(shè)計空間，并確保變速箱殼體與內(nèi)外部零部件的靜態(tài)和動態(tài)連接關(guān)系，避免發(fā)生干涉影響到內(nèi)外部零部件工作和安裝件，除了拓?fù)鋬?yōu)化外，使用該模型應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)的制造工藝要求，為避免發(fā)生后期不能滿足制造加工的問題。對原模型進行可設(shè)計空間提取，給出優(yōu)化前使用的最大材料空間，見圖2。

2.2 優(yōu)化模型加載及優(yōu)化設(shè)置

優(yōu)化模型采用與齒輪箱優(yōu)化模型相同的模型對優(yōu)化模型進行加載，并在加載后完成變量、優(yōu)化響應(yīng)、約束和目標(biāo)值得建立。在優(yōu)化過程中，優(yōu)化模型根據(jù)加工制造工藝可行性問題的要求，將變速器殼優(yōu)化模型劃分為若干個子優(yōu)化空間，并進行變量設(shè)置，使優(yōu)化結(jié)果更便于加工制造。

將優(yōu)化區(qū)域中每個子區(qū)域分別設(shè)置為變量，根據(jù)不同部位的設(shè)計使用不同的拔模方向，循環(huán)對稱數(shù)等加工制造約束。

在優(yōu)化過程中，模型的響應(yīng)將直接影響優(yōu)化結(jié)果是否合理，是否滿足設(shè)計要求。該優(yōu)化模型的響應(yīng)選擇的是體積分?jǐn)?shù)、靜態(tài)位移、靜態(tài)應(yīng)力、頻率和靈活性。本次為靜動態(tài)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化采用柔度響應(yīng)為組合柔度指數(shù)，模型未優(yōu)化部分與優(yōu)化部分對比見圖3。

結(jié)構(gòu)復(fù)雜的變速箱殼體，一般在2個方面進行優(yōu)化設(shè)計：淤通過一個簡單的制造工程約束參數(shù)設(shè)置，變速箱殼體表面的基本結(jié)構(gòu)分析；于詳細(xì)的制造工藝約束參數(shù)的設(shè)置，得到變速箱殼體表面加強筋的布置結(jié)果。兩者結(jié)合，得到符合設(shè)計要求和性能良好而且美觀的變速箱殼體結(jié)構(gòu)。通過仿真計算和模型的調(diào)整，最終得到優(yōu)化結(jié)果云圖（圖 4）。

通過對比可以看出，單一擋位重點部位材料的布局形式再多擋位結(jié)合在材料的布局上均有體現(xiàn)，為了獲得良好的 NVH（Noise，Vi原bration，Harshness，噪聲、振動與聲振粗糙度）性能，強度、剛度通常結(jié)合多擋位工況結(jié)合的優(yōu)化結(jié)果當(dāng)作變速箱殼體整體的分布，但拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果通常只作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的方向，因為優(yōu)化結(jié)果比較粗糙，所以它只作為一個參考。

圖 2 減速器變速箱殼體拓?fù)鋬?yōu)化模型

圖3 模型未優(yōu)化部分與優(yōu)化部分

圖4 優(yōu)化結(jié)果云圖

3 優(yōu)化后變速箱殼體設(shè)計與驗證分析

3.1 優(yōu)化前后對比結(jié)果

基于優(yōu)化結(jié)果和變速箱殼體的設(shè)計原則，利用三維建模軟件建立變速器殼體的優(yōu)化模型（圖5）。

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析驗證

對變速器殼體進行再設(shè)計后，對優(yōu)化后的模型進行分析和驗證。從剛度、強度和質(zhì)量3個方面進行驗證，并與原方案進行比較，見表1。

圖5 變速器殼體優(yōu)化模型

表1 分析驗證結(jié)果

分析結(jié)果表明，變速箱優(yōu)化后質(zhì)量比優(yōu)化前模型輕1.85 kg，對應(yīng)的等效應(yīng)力模型等價于115 MPa，原殼變速箱壓力達170 MPa，一階模態(tài)1035 Hz，滿足目標(biāo)設(shè)計要求，因此該優(yōu)化不僅提高了原變速箱殼體的性能，還實現(xiàn)了輕量化設(shè)計。

4 結(jié)論

（1）通過Inspire軟件完成了變速箱殼體強量化要求，減重1.85 kg，實現(xiàn)減重目標(biāo)。

（2）通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計提高材料的利用率，減少冗余復(fù)雜結(jié)構(gòu)，降低材料成本；同時保證了變速箱殼體工藝制造的最佳工藝性，提高模具使用壽命，降低模具成本。

（3）在變速箱殼體設(shè)計初期，充分考慮變速箱殼體結(jié)構(gòu)的剛度、強度、模態(tài)等，避免重復(fù)修改等大量工作，有助于提高設(shè)計人員的工作效率，縮短變速箱殼體開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。