简单分析Simpack刚柔耦合变速器箱体动态特性

本文以某款汽车变速器箱体为研究对象，考虑到该款变速器通过了静强度分析，却在实际装车使用时依然发生强度破坏的问题，采用了基于动力学刚柔耦合的箱体动态特性分析的方法，建立了变速器整体的刚柔耦合动力学模型以及箱体有限元模型，分别研究箱体受静载荷以及动载荷时的强度情况，对箱体强度结果进行评估。

（1）CAD建模。该款变速器是手动五档变速器，主要运用在紧凑型车以及微型车系。变速器箱体模型是本文动强度分析的研究对象，齿轮以及传动轴需要用在动力学模型建立上。其中箱体、传动轴在建立动力学模型的时候定义为柔性体，齿轮在动力学模型建立的时候定义为刚性体。


图1 变速器三维模型以及传动机构

（2）建立刚柔耦合动力学模型。对该款变速器箱体以及轴系进行结构分析，考虑到箱体的强度破坏主要原因是轴系抖动的问题，将输入轴、中间轴、差速器壳的轴系系统以及研究对象箱体视为柔性体，并对柔性体进行模态分析，再将齿轮视为刚性体，采用 SIMPACK参数化建模的方法，建立了该款变速器的刚柔耦合动力学模型。


图2 SIMPACK变速器刚柔耦合动力学模型

（3）静力学分析。基于动力学刚柔耦合模型，在 SIMPACK 里将模型的输入扭矩设置为 156N.m，负载端固定不动。然后经过 SIMPACK 求解器计算得到以下各轴承处受力以及受力矩的情况。并将模拟得出的静载荷情况作为静强度分析的输入载荷。


表1 准静态情况下各轴承的静载荷输出数据

将以上静载荷在有限元软件里添加到各个轴承中心处，将大端面螺栓添加零位移约束，左右箱体的螺栓连接用 reb2 刚性单元模拟。得到仿真结果。


图3 静力计算结果

通过观察该应力云图可以发现，主要的应力集中都出现在中间轴左轴承安装位置的加强筋处，该位置在结构上离发动机是最远的。应力最大值为 76.841MPa，根据材料的许用应力可知，其值小于 80MPa。所以，该应力计算结果能够达到安全标准，该变速器结构符合使用条件。

（4）进行静力学试验。台架主要的组成是输入端、样件，输出端。该台架可以通过调整输入端输出端的扭矩以及阻尼，也可以做静力实验。在这里将负载端加大阻尼，输入端添加 156N.m 的扭矩，进行实验。


图4 试验台架

为了更好的对比仿真结果与实验结果的差距，以验证仿真结果的可信程度。现将实验测得的结果稳态值罗列出来，另外将各个测点位置在仿真里的数据结果找出，与实验数据进行对比分析。


表2 各测点应力测量值和仿真值

对比了各个测点位置仿真结果和实验结果稳态值，每个点的应力值都非常的相近。差值都在 0.24Mpa 以内，所以仿真结果可信。

（5）瞬态动力学分析。该款变速器在一档情况下发动机的转速在 4000r/min，转矩最大值 156N.m，转矩的波动是 10N.m(来源于客户主机厂)。由于该变速器装车车型所使用的发动机为四冲程发动机，发动机旋转一圈实现两个冲程，出现两次波动。所以这里假设发动机旋转一圈扭矩波动两次。将输入扭矩模拟成正弦曲线得到以下输入扭矩公式为：

y = 146 + 10sin(266.66tπ)

箱体所受负载直接来源于各个轴承处。在计算结果里提取了变速器内部 6 个轴承各个方向所受的力以及力矩的载荷谱。


图5 差速器右轴承受力

提取一档工况下变速器内部各个轴承受力以及力矩情况后，将载荷谱添加到有限元模型的各个轴承孔处。与发动机相连的大端面是用螺栓连接起来的，在这里分别在各个螺栓处添加全位移约束。变速器的左右箱体分别在各个螺栓处以 REB2 刚性单元模拟。


图6 瞬态响应最大应力计算结果云图


图7 瞬态响应各时刻应力最大值曲线

根据上图可以发现，最大应力出现在 0.124s 处，86.523MPa，最大应力的取值范围在 78MPa-86.523MPa 之间，所以动态情况下，许多时刻的箱体最大应力都稍大于材料的安全许用应力。根据瞬态响应的分析结果，可以得出，在变速器实际的使用中，箱体是有可能发生强度破坏的。

（6）静动态分析结果对比。


图8 静动态分析结果对比

可以发现静力分析和动强度分析应力较大位置都在中间轴左轴承的轴承安装处，位置基本差不多，说明静力分析在一定情况下是可以模拟实际的动态结果的。但是最大应力位置静态结果是在外表面，然而瞬态响应是在内表面，位置大概相近又有一定区别。

引起此差异的主要原因是瞬态响应分析相对于静强度分析考虑了结构运动时的惯性力以及阻尼力，并且考虑了发动机输入扭矩的波动情况，而静强度由于是静止的结果和实际使用时的情况有所差异。所以只用静态结果去验证箱体的实际强度情况也不完全准确。

并且动态结果比静态结果最大应力多了 10MPa 左右，差距 13%。说明发动机的扭矩波动和计算时的惯性力、阻尼力对箱体的强度有一定的影响。

可以得出结果：发动机波动以及惯性力、阻尼力是箱体破坏的实际原因，此因素使变速箱通过静力计算以及实验，但是实际装车使用的时候依然有强度破坏产生。 因此箱体结构只做静强度校核是不准确的。