汽车变速器箱体轻量化设计摘要：本文根据汽车变速器总成结构和工作原理，运用静力学分析，得到各挡离合器总成与箱体之间的最大轴承力，作为箱体有限元分析的边界载荷；采用有限元分析方法对箱体进行强度分析，得到最大应力与最大变形量分布情况；对箱体做轻量化处理后，以相同边界载荷进行强度校核；最终将汽车变速器箱体壁厚减去2mm.。

关键词：变速器箱体; 静力分析; 有限元分析; 轻量化1. 绪论1.1 引言随着汽车工业的快速发展和日益突出的能源问题，节能减排在汽车工业中越来越受到人们的重视。

目前，降低制造成本和提高整车燃油效率已成为汽车设计的要求，为实现这一目标，各大汽车制造商纷纷关注汽车轻量化技术的研究与应用。

研究表明，汽车约60%燃料消耗于自重，汽车质量每减轻10%，可降低油耗6%至8%[1]。

由此可见，汽车燃油消耗率同汽车整车整备质量密切相关，而汽车轻量化则通过对汽车结构的优化设计，最大程度内减小汽车整车整备质量，降低汽车的燃油消耗率，减少油耗。

除此之外，轻量化还可以减少汽车原材料的消耗，降低汽车的生产成本，提高汽车的操控性能，减小振动和冲击，降低噪音。

随着汽车技术的发展，现代汽车日益数字化、智能化、高级化，附加的汽车电子装置越来越多，导致汽车的质量不断增加，为控制汽车质量，必须加快汽车各组成部分的轻量化技术研究。

变速器作为汽车传动系统关键组成部分，主要由各档齿轮、轴系和变速器箱体组成，发动机输出的动力经离合器传到变速器输入轴，再通过齿轮系啮合传动将动力传至传动轴，最后动力经传动轴、驱动桥等装置传给车轮。

变速器可以改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应起步、加速、上坡等经常变化的行驶条件，使发动机在有利的工况下工作；还可以在不改变发动机旋转方向的前提下，使汽车能倒退行驶；此外利用空挡，中断动力传递，以使发动机能够起动、怠速，便于变速器换挡或进行动力输出。

变速器箱体作为安装、保护齿轮传动的机构，是保证齿轮传动副精度的基础。

在变速器工作过程中，箱体因齿轮传动承受较大的载荷，可能产生较大的变形和应力。

如果变速器箱体的刚强度不足，导致箱体产生裂纹或变形，这会造成齿轮和轴的安装误差，再加上齿轮和轴受载变形，破坏了齿轮理论上正确的啮合条件，降低了齿轮传动精度，引起齿轮传动系统的振动、冲击和噪声、齿轮的过早疲劳破坏，导致整个变速器的性能下降[2]。

为了避免上述问题，在变速器设计时常常通过加大变速器箱体的厚度来提高其刚强度，但同时也加大了变速器箱体自重，进而增加了车重量，影响汽车的动力性和经济性，故设计合适的变速器箱体至关重要。

1.2 轻量化技术国内外研究现状和发展趋势汽车轻量化实现途径主要有两种：一是使用轻金属、现代复合材料等低密度轻质料，达到减重目标；二是从结构出发，通过改变结构，在保证刚强度不变的前提下轻重量[3]。

第一种途径存在成本高，技术不成熟等困难，这表明通过材料的轻量化减轻汽车自重虽然具有巨大潜力，但在现阶段很难实施。

而随着CAD/CAE技术的不成熟，后一种途径已经广泛应用到汽车行业。

目前，汽车结构轻量化设计的思想已入到产品设计前期，以达到汽车轻量化、操控性、安全性及成本的统一。

另外，新制造工艺的使用，使得某些结构能实现“以空代实”，达到简化结构的目的。

这些关技术决定了汽车轻量化未来发展意义重大[4]。

80年代，国外学者将结构优化设计技术和刚柔体耦合动力学仿真技术结合起来实现变速器箱体轻量化，分析变速器箱体在动态载荷下结构刚强度，根据分析结果，对箱体进行整体或局部改进，达到优化设计的目的。

国内汽车变速器箱体结构优化设计方法的研究刚刚开始，国内汽车变速器箱体结构优化设计方法的研究刚刚开始，传统的变速器箱体设计多采用有限元分析和经验设计相结合的方法，以达到目的。

如赵丽娟，刘宏梅等人先利用软件Pro/E建立了矿用减速箱体的三维实体模型，再利用ANSYS软件对箱体进行结构刚强度分析，并找出了危险区域，对箱体结构进行再设计，这种优化方法效果显著，使箱体重量和材料成本均有降低[5]。

1.3 研究内容和意义1.3.1 研究内容根据汽车变速器总成结构和工作原理，重点研究变速器箱体在静载荷和动载荷下结构刚强度，并基于结构强度分析结果对箱体进行轻量化设计，实现变速器箱体轻量化的目的。

具体内容可分为以下五部分：1运用静力学分析，得到各挡离合器总成与箱体之间的最大轴承力，作为箱体有限元分析的边界载荷；2 采用有限元分析方法对箱体进行强度分析，得到最大应力与最大变形量分布情况；3 根据分析结果对变速箱体拟定轻量化处理计划.4对箱体做轻量化处理后，以相同边界载荷进行强度校核，选择适当部位增加凸台，增加面积避免个别部位的应力过于集中。

5 对改后箱体进行强度分析,检验其安全系数能否合格,若合格则此方案可行,反之则再次对箱体进行静力学，应力及变形量的分析,修改相应参数使其最终达到合格的安全系数.1.3.2 研究意义箱体支撑着变速箱内的所有部件，使所有部件在工作的同时保持相对准确的位置，是变速器的骨架。

同时箱体是属于箱体类的铸造零件，结构是非常的不规则的，在其内部有着各种凸台，强筋，轴承孔，横隔板和油道孔，使其难以用偏微分方程和常微分方程来描述这个复杂的空间几何形状，也很难取得理论解析式。

箱内分布着2轴和13 个齿轮，在工作过程中的受力情况不容易分析，各个齿轮承受各级轴给的作用力。

正因为箱体结构和受力的复杂性才决定箱体是整个变速箱强度分析的主要对象。

变速器箱体是变速器的关键零部件，它在动态载荷下的刚强度问题是影响变速器齿轮正确啮合和可靠性工作的关键问题之一，因此对其结构刚强度分析与轻量化设计研究对保证变速器产品使用性能、提高零部件可靠性以及整车性能具有重要意义[6]。

变速器箱体产品原型样机采用铝合金材料，由于铝合金材料技术工艺复杂，成本较高；企业为了降低制造成本，提高产品的市场竞争力，新开发的变速器产品采用铸铁箱体，但铸铁箱体最大的缺点是太重。

本文结合企业实际生产需要，针对汽车变速器研发过程中出现的重量超标以及可能出现的箱体结构强度不足等问题，采用基本静力学分析和有限元分析，实现变速器箱体轻量化。

通过本文的研究，可降低公司现有变速器产品生产和制造成本，达到降本增效的目的，使得该变速器产品能够以较高的性价比优势进入市场，比同类产品更具有竞争能力。

因而本研究具有很强的工程实用价值和重要的理论指导意义。

2. 变速器箱体静力学分析2.1 基本参数汽车基本参数:额定功率 50kw ; 额定转速 4500 r/min ; 额定输入扭矩 106 N.m2.2 受力分析变速器箱体的结构可划分为一个箱体和一个箱盖，并通过紧固螺栓及其组件将两部分紧固，紧固螺栓和它附近的受力不作为分析的重点，所以可以将其认为是刚性约束。

根据局部影响力定理，这种局部近似处理对远处的应力和应变结果不会有明显的影响，在这里将两个部分作为一个整体来分析。

我们需要知道各挡离合器总成与箱体之间的轴承载荷，才能得到箱体的受力情况。

在此，将各挡轴与齿轮作为整体，由齿轮力学分析得到齿轮力，利用理论力学原理向轴中简化，同时计算轴承对轴的支撑力根据变速器的结构及动力传动路线，若求解箱体的最大受力载荷，分析前进一挡受力情况即可。

以下给定输入轴转矩为106N.m 。

该变速器均为直齿轮传动，每对齿轮所受的力互为作用力与反作用力，齿轮间有圆周力与径向力，无轴向力，其计算公式为： ir d T 2=ti F (2-1) αtan ti ri F F = (2-2)式中：ti F ----各齿轮圆周力； ri F ----各齿轮径向力，N ；i T -----输入转矩，N.m ； i d -----分度圆直径，m ；i ------齿轮序号，i =1～13；α-----齿轮压力角，α =20°。

受力分析时参考的直角坐标系如图所示，其中，Z 轴平行于各轴轴线，各挡离合器总成与箱体之间的轴承力用N mn 表示，角标m 代表图1中的轴，m=1～2；n 表示对应轴上的轴承，n=1～2；lmn 为计算m 轴上n 轴承力所需的结构尺寸。

N mnx 和N mny 分别代表轴承力N mn 沿x 轴和y 轴方向的分量；r i 为第i 个齿轮啮合点出径向力与x 轴所夹的锐角。

前进一挡时受力分析如下，以输入轴Ⅰ轴为研究对象，发动机输入转矩为顺时针，整体受力情况及啮合力的空间作用方向示意图如图2-1 所示，图2-1 前进一档时输入轴受力分析示意图通过方程（3）—（8），求解一轴轴承力: 121d TF t = （2-3） αtan 11t r F F = （2-4）0cos sin 1111X 1211=+++r F r F N N T t X （2-5）0sin cos 1111Y 1211=+++r F r F N N T t Y （2-6）0)cos sin ()(111111121112=+++l r F r F l l N T t X （2-7）0)cos sin ()(111111121112=+++l r F r F l l N t r Y （2-8）同理，分别以前进一挡时，输入轴与输出轴为研究对象，进行受力分析，具体受力分析图及方程式在此省略，计算得到所有轴承力结果如表 2-2所示，正号代表与图示方向相同，负号代表与图示方向相反。

表2-2 前进一档时各轴承力 输入轴/N 输出轴/NX N 11Y N 11 X N 12 Y N 12 X N 21 Y N 21 X N 22 Y N 22 -10677 5865 -9476 5205 -20468 9882 -22515 218703. 箱体有限元分析3.1 有限元分析简介有限元法(FEM)是求解复杂工程问题的一种近似数值析方法。

他的基本思想可概括为“先分后合”或“化整为零又积零为整”，具体来讲就是将一个复杂结构的连续体离散为通过有限个节点连接的有限个单元，并为每个单元选择一个能近似表达单元物理量的函数，接着建立单元节点的平衡方程组，这些平衡方程组的集合就构成代表整个结构力学特性的代数方程组，通过引入边界条件求解代数方程组，将每个单元的力学特征的组合起来就可以得到整体结构的力学特性。

这种将连续体离散成为有限的单元数和有限的节点数目的方法称为有限元法[8]。

有限元法是一种近似的求解方法，其近似性表现在两个方面：(1)单元与单元之间是通过节点连接，所以力和约束也是通过节点传递；这与实际连续体的力和约束传递方式不同。

(2)由于为每个单元选择的表达单元物理量的函数是近似的，所以单元上物理量的分布规律是近似假定的。

有限元分析过程可划分为三个阶段——有限元分析的前处理、有限元分析的计算和有限元分析的后处理。