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| CAE分析 |
为降低汽车制造成本、提高整车燃油效率，对汽车设计提出的新要求是轻量化设计。变速器作为汽车传动系统关键组成部分，主要由各挡齿轮、轴系和箱体组成。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；它在动态载荷下的刚度、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。
本文运用有限元分析和动力学仿真技术相结合的方法，建立了某轻型货车变速器箱体的有限元模型，并对模型进行计算模态分析及试验验证；借助HyperMesh和Abaqus软件对模型进行静力学和动力学结构强度分析；然后基于结构强度分析结果对箱体进行拓扑优化设计，实现变速器箱体的轻量化。
某轻型货车的变速器箱体是不规则薄壁件，结构比较复杂，其上布置有加强筋、轴承孔、拨叉孔等。为了简化有限元模型，在不影响分析结果的前提下，对箱体结构进行如下简化：①忽略箱体结构各处的过渡圆角以及螺栓孔、定位孔上的倒角；②用圆柱形凸台代替箱体内壁和外壁上的半球体形凸台；③简化倒挡孔的细节设计；④简化箱体与离合器壳体连接面，忽略其凹下去部分的非工作面。
采用六面体单元进行网格划分，确定基本网格尺寸为４ｍｍ×４ｍｍ。利用ＲＢＥ２单元近似模拟箱体与离合器壳、车架的螺栓连接。有限元模型（图１）共计２０６４５９个节点，１５１０３１个单元，其中六面体单元１４４０６８个，五面体单元６９６３个，ＲＢＥ２单元３６个。为模型中每个单元赋予材料特性，材料选灰铸铁ＨＴ２００，密度ρ＝７４００ｋｇ／ｍ３，弹性模量Ｅ＝１３５ＧＰａ，泊松比μ＝０.２５。
对模型进行模态分析，采用Ｌａｎｃｚｏｓ法计算前２０阶自由模态，表１列出了前８阶变速器箱体典型振型及固有频率。
针对自由状态下箱体的振动特性进行试验研究，采用具有一定刚度的弹簧将变速器箱体悬挂起来。
（１）被测试件：某轻型货车的变速器箱体。
（２）激励：选用Ｍｏｄａｌ１１０型激振器两个，一个沿ＹＺ平面斜向上激振，激起Ｙ、Ｚ方向的振动，另一个沿Ｘ轴方向激振，保证箱体在Ｘ、Ｙ、Ｚ三个方向均有振动能量的分布。
（３）测试系统：测试系统包括加速度传感器、ＬＭＳ数据采集前端以及数据分析系统，其型号见
（４）测点布置：箱体上共布置９１个测点，采用分批测量的方法，每批测量一个平面或一个典型结构特征，并对与坐标系不平行的面上测点进行欧拉角的调整，使测点处的Ｚ方向为该处平面的法线方向，测点布置如图所示。
试验共识别出２５阶模态，表３列出了前８阶试验模态频率和模态阻尼比。
根据试验模态和计算模态振型特点，提取具有相同振型的计算模态和试验模态。通过比较发现，有６阶模态振型基本一致，如表所示，其相应阶次的频率误差小于１０％，在可接受的范围内，验证了有限元模型的准确性和合理性。
为了简化计算且又能准确反映变速器箱体实际工作环境，对边界条件作近似处理。考虑到螺栓的刚度和硬度较大，箱体与离合器壳体、车架的螺栓连接视为刚体连接，用刚体单元模拟。
