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汽车变速器壳体频率响应特性仿真分析研究

2020-10-28 来源:意榕旅游网
第54卷第12期 Vo1.54 No.12 农业装备与车辆工程 AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING 2016年l2月 December 2O16 doi:10.3969/j.issn.1673—3142.2016.12.012 汽车变速器壳体频率响应特性仿真分析研究 谭辉 ,褚超美 ,梅超 ,缪国 (1.200093上海市上海理工大学机械工程学院;2.201800上海市上海汽车变速器有限公司) [摘要]针对汽车变速器壳体局部变形失效的问题,提出一种基于变速器壳体关键点的动态刚度评价方法。以某 前横置变速器壳体为研究对象,借助于Radioss仿真软件,通过原点动刚度分析,获得轴承孔处的动刚度特性,从 中获取未达到刚度目标的频率区间。针对未迭标的频率区间进行模态分析。得到变速器后壳体尾部的振幅较大。 研究表明:在频率300 350Hz范围内,输入轴和输出轴右轴承孔动态刚度不足,变速器后壳体尾部振幅较大,基 于变速器壳体关键点的动态刚度评价方法能直接反应壳体结构与变形的关系并准确找到壳体局部变形部位。 [关键词】变速器壳体;频率响应特性;原点动刚度;壳体优化 [中图分类号]U463.2 [文献标志码]A [文章编号]1673-3142(2016)12—0051-04 Simulation and Analysis Research on Frequency Response Characteristies of Automobile Transmission Housing Tan Hui ,Chu Chaomei ,Mei Chao ,Miao Guo。 (1.School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China; 2.Shanghai Automobile Gear Works,Shanghai 201800,China) [Abstract】In order to solve the local deformation failure of the automobile transmission housing,a method of evaluating dynam・ ic stifness about the key position of transmission housing was presented.The pre—transverse transmission housing taken as the rese ̄ch object,dynamic stiffness characteristics f obearing hole were acquired by dynamic stifneSS analysis of the oriin gbased on Radioss.the frequencies intervals which did not reach stifness goals were obtained and modal analysis was carried out. e biggest amplitude Was found at the end of he rteal"housing.The results showed that the fight bearing hole of input shaft and out— put shaft was not strong enough in dynamic stifness,and the amplitude at the rear housing tail of the gearbox was large in the range of frequencies intervals from 300 Hz to 350 Hz.The relationship between the housing structure and deformation was re- lfeeted directly by the method of evaluating dynamic stifness about the key position of transmission housing,and the local defor- marion was found accurately. [Key words】transmission housing;frequency response characteristic;origin of dynamic stifness;housing optimization 0引言 变速器壳体作为汽车传动系统的支撑体,承 受着来自发动机和汽车行驶过程所受的冲击力作 本文提出一种基于变速器壳体关键点的动态 刚度评价方法,运用Hyper works软件,基于Ra— dioss对目标变速器壳体输入轴、输出轴关键点进 行模态频率响应分析。得到了轴承孔处的原点加 速度频响曲线:通过原点加速度响应与动刚度的 关系模型,得到轴承孔处的动刚度曲线;通过得到 的动刚度频率响应曲线。可直接反应壳体结构与 变形的关系。直观地评价变速器壳体的动态特性, 用,极易因强度、刚度不足引起局部断裂失效[1引。 设计师们通常需要对变形严重的结构进行局部优 化设计。以提高壳体受力局部的强度与刚度。为提 高可靠性设计水平,需准确获取壳体振幅较大,变 形严重的局部位置及变形程度。以便进行针对性 结构强化设计。国内外学者多以对变速器壳体进 行振动频响分析或有限元模态分析来进行结构改 为设计师结构优化设计提供直接的参考。 1建立目标变速器壳体模型 目标变速器壳体由离合器壳体、主壳体和后 壳体三部分组成。对壳体的建模考虑了对壳体动 态特性与结构强度影响较大的加强筋部分以及壳 进设计 ]。以往的设计依据多来自于可靠性试验 结果或通过加速度频响仿真的方法间接获得。 收稿日期:2016--07—05 修回日期:2016—07—13 52 农业装备与车辆工程 体凸台,并对壳体上如放油孔、倒角以及螺栓连接 槽等细小的结构特征依据等效原理进行简化 。 定义单元类型、材料特性,指定杨氏模量和密度, 目标变速器壳体的材料属性如表l所示。 表1材料的力学性能参数 Tab.1 The mechanics properties parameters of the material 目标变速器壳体约束主要来自于大端面螺栓 孑L.此处采取6自由度全约束,轴承孑L由于承受一 定的载荷采用RBE3柔性连接,其余部分之间采 用RBE2螺栓连接。Hyper works软件中建立的有 限元模型如图1所示,该模型单元数目为517 640 个,节点数目为120 574个。 图1目标变速器薨体有限兀模型 Fig.1 Target gearbox housing’S finite element model 2设置边界条件 根据变速器壳体的动力传递途径,选择壳体 中承受载荷和变形最大的轴承孔为变速器壳体的 激励源并施加激励力;在0~1 000 Hz的频率范围 内 引.以2 Hz为频率步长,分别在变速器壳体施 加激励力点的 、y、Z方向施加幅值为1 N的简 谐单位力,所设置的频变载荷激励力与激励类型、 相位、时间的关系模型为 { }= }xB(f)eil (1) 式中:A——载荷激励类型;B( ——激励频率变 化取值范围; ( ——激励频率角度变化取值范 围; 相位PHASE; 时间延迟DELAY。 3原点动刚度分析 3.1原点加速度频响分析 在一个系统中,若激励力所作用的点和响应 点是同一点,则得到的随着激励频率而变化的刚 度被称为原点动刚度。“原点”是指响应和激励为同 一点,在0 1 000 Hz的频率范围内,以2 Hz为频率 步长,分别在变速器壳体输入轴输出轴轴承孔中心 的 、l,、Z方向施加1 N的简谐单位力。输出加载 点的 、l,、Z向加速度响应值。选择0~1 500 Hz范 围内的壳体柔性模态进行叠加计算(通常为激励 频率范围的1.5~2倍[ ]):同时本文采用4%的结构 阻尼,得到的加速度频率响应曲线如图2所示。 { 频率,Hz ・-—-一X _一y ~ Z 堇 鎏 ● . :I . —J●— ; 型 呈 越 频率(Hz1 (d) 图2加速度频率响应曲线 Fig.2 Acceleration frequency response curve (a)输入轴左轴承孔 (b)输入轴右轴承孔 (c)输出轴左轴承孔 (d)输出轴右轴承孔 第54卷第l2期 谭辉等:汽车变速器壳体频率响应特性仿真分析研究 53 由图2可得,变速器壳体轴承孔在承受0~ 1 000 Hz频率范围内变化的载荷时,加速度响应 在频率为3o0 Hz、350 Hz、550 Hz、850 Hz时共有 4个峰值。输入轴右轴承孔在频率为350 Hz时 方向的加速度响应为6 830:输人轴右轴承孑L在频 率为300 Hz时y方向的加速度响应为3 450;输 入轴右轴承孔在频率为850 Hz时Z方向的加速度 响应为4 050。输出轴左轴承孔在频率为550 Hz时 方向的加速度响应为3 720。说明在该频率处可 能会造成较大的工作振动,目标变速器壳体的激 励频率在接近于壳体固有频率时发生共振[1o]。 3.2原点加速度响应与动刚度关系模型 对单自由度黏弹性系统,其动力方程为[ ・] , +c + (2) 式中:m——质量;c——粘性阻尼系数; ——刚 度;戈——位移响应; ——速度响应; ——加速度 响应;卜激振力。 设系统受简谐激励作用。施加在质量上的激 振力为 (3) 位移响应为 (4) 对应的速度响应为 n (5) 对应的加速度响应为 =一∞ 呻)=一to2x--io:x (6) 式(6)中: ——位移响应幅值;(c 激励频率 = 仃; ——时间。 壳体轴承孔激励力设为F,由(6)式加速度、 速度、位移响应之间的关系式得到: 立一生一 :一 f7 1 } } Kd Kd 、。 建立原点加速度响应与动刚度关系模型: 一 F (8) 式(8)中: ——轴承孔中心加速度响应;卜轴 承孔激励力;K 动刚度i卜频率。 3.3刚度设计目标的确定 在进行目标变速器壳体动刚度分析时.往往 将动刚度设定成一个随频率变化的固定值。当连 接点的刚度小于1.OOE+06 N/m时.表明外界振动 极易通过这点对壳体造成破坏。当刚度值达到 1.OOE+08 N/m时,可以认为外界振动对轴承孔影 响较小。根据工程经验,当连接点的刚度达到 1.OOE+07 N/m时,该连接点的刚度即可足够抵抗 外界的激励,局部结构能有效地控制激励力对壳 体结构的振动传递。因此,将1.00E+07 N/m定为 原点动刚度的目标值。 1o0 200 30o 400 500 600 700 800 9001 000 频率,Hz (a) (b) 言 芝 瑟 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 频率/Hz (c) l00 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 频率/Hz (d) 图3动刚度频翠响应曲线 Fig.3 Dynamic stifness frequency response curve (a)输入轴左轴承孔 (b)输入轴右轴承孔 (c)输出轴左轴承孔(d)输出轴右轴承孔 3.4原点动刚度频响分析 通过目标变速器壳体加速度频率响应与动刚 度的关系模型,得到图3原点动刚度曲线。 54 农业装备与车辆T程 2016焦 对比动刚度的评价目标值,南图3得出:输入 轴和输iH轴左轴承孔X、y、Z方向的动刚度在0~ l 000 Hz的频率范同内基本处于比较理想的目标 值1.00E+0.6N/m羽1 1.00E+0.8N/m之间,输入轴 右轴承孑L在频率为3 00 Hz时 方向的动刚度为 6.6E+O.5N/m.输入轴右轴承孔在频率为350 Hz 时y方向的动刚度为9.48E+0.5N/m.输入轴和输 H{轴有轴承孔 、】,方向的动刚度在300~350 Hz 的连接刚度。并分割壳体结构大面积区域,增强变 速器壳体的整体刚度。 5结论 (1)针对汽车变速器壳体局部变形失效的问题, 提出一种基于变速器壳体关键点动态刚度评价方法。 (2)运用基于变速器壳体关键点动态刚度分 析方法,通过对目标变速器壳体的频率响应特性 分析,分别获取4个轴承孔的动刚度特性,找出动 态刚度未达标的频率区间.并通过分析模态位移 云图找出壳体的薄弱结构,对其薄弱位置局部改 变结构曲率或者增加加强筋,以减小激振力引起 的范围内低于最小的目标值(1.00E+06 N/m),在 其振发生时的刚度明显不足.凶此,输入轴和输出 轴有轴承孑L处为振动薄弱的位置.是需进行刚度 强化改进设计的重点部位. .4危险频率下的模态分析 通过对日标变速器壳体关键点动刚度分析结 的振动。进而降低整车车身的振动。 (3)基于变速器壳体关键点的动态刚度评价方 法。能够根据载荷输入的受力特点,即主要的受力方 向和载荷频率分布,有针对性地对载荷引起的变速 器壳体的振动特性进行预测及评价。相较传统方法, 果,Ⅱ丁以看 在频率为300~350 Hz范围内.输入 轴和输m轴右轴承孔处在共振发生时的刚度明显 不足.容易引起变速器壳体的局部变形失效。在频 率区间300~350 Hz对变速器壳体进行模态分析. 输I叶I变速器壳体的位移云图,找f};局部变形的准 确部位,提出相应的改进措施,以强化目标变速器 壳体的整体刚度 冈4为频率300 Hz与350 Hz下的模态位移 可以快速、准确、直观地得到变速器壳体结构表面的 局部变形,为设计师结构优化设计提供直接的指导。 参考文献 [1]褚超美.杜玉昊,张斌,等.变速器壳体有限元分析中网格最优 划分方法的研究[J].汽车工程,2014,36(7):885—888,898. 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