（车辆工程专业论文）发动机动力总成零部件结构分析.pdf

中文摘要 摘要 论文在有限元法理论基础上，基于计算机仿真技术对发动机动力总成零部件 新型六档自动变速器箱体前支架本体的结构，镁合金新材料在发动机零部件中的 应用以及新型增压振荡内冷油腔活塞的热结构等一系列问题进行了以下几个方面 的研究工作： 根据新型六档自动变速器箱体前支架本体原结构润滑油道可能出现漏油的现 象和满足生产厂现有的铸造模具结构工艺的要求，提出了改善润滑油道的前支架 本体新型结构。为了降低所提出的前支架本体新型结构重量，运用有限元方法进 行了前支架本体新型结构的分析改进。 针对镁合金新材料对温度的热敏感性特点，将摩托车发动机镁合金气缸头盖 的温度场进行了有限元分析，根据分析结果提出了降低镁合金气缸头盖温度的新 型结构。同时，从发动机零部件装配应力和刚度的要求出发，对镁合金曲轴箱体 进行了强度和变形刚度仿真分析并对其端盖进行了动态特性研究。通过分析结果 对镁合金曲轴箱体和箱体端盖提出了结构修改建议。 由于柴油机的增压，使得活塞热和机械负荷增大，因此在活塞头部采用了振 荡内冷油腔的新型结构。为了研究振荡内冷油腔活塞的热结构，对车用增压柴油 机振荡内冷油腔6 1 0 7 活塞进行了仿真分析。由仿真与实验温度比较结果得出了温 度对活塞结构的影响因素，并提出了活塞结构强度的应力温度散点图评价方法。 通过仿真数据提出了活塞外轮廓设计型线的理论方法。 关键词：发动机；动力总成；支架本体；镁合金；活塞；有限元法 英文摘要 a b s t r a c t b a s e do nt h et h e o r yo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h es i m u l a t i o nt e c h n i q u eo f c o m p u t e r , t h ef o l l o w i n ga s p e c t so f r e s e a r c h e sw e l ed o n eb yf o c u s i n go nt h ep r o b l e m so f d y n a m i cp o w c r t r a i no fe 1 1 9 i l l e sc o m p o n e n t so ft h en e wt y p es i xs p c p a i sa u t o m a t i c t r a n s m i s s i o nc a s ef r o n ts u p p o r tb r a c k e tm a i nb o d y ss t r u c t u r e , t h en e wm a t e r i a lo f m a g n e s i u ma l l o ya p p l i e dt ot h ec o m p o n e n t so ft h ee n g i n e , a n dt h et h e r m a ls t r u c t u r eo f t h en e w t y p ep i s t o nw i t ha ni n n e ro s c i l l a t i n g - o i l c o o l i n gc h a n n e l ，e t c a c c o r d i n gt ot h ep h e n o m e n o nt h a tt h en c v i ，t y p es i xs p e e d sa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n c a s ef r o n ts u p p o r tb r a c k e tm a i nb o d y so r i g i n a ls t r u c t u r eo f l u b r i c a t i n go i lm a dm a y h a v et h ep r o b l e mo fo i l - l e a k i n g , a n ds a t i s f i e dt h ed e m a n do ft h ef o u n d i n gm o d d s i l l 2 9 t u r a lt e c h n o l o g yo ft h em a n u f a c t u r i n gf a c t o r y , a n dt h ef r o n ts u p p o r tb r a c k e tm a i n b o d y sn e ws t r u c t u r eo ft h ei m p r o v e dl u b r i c a t i n go i lr o a dw a sp r o p o s e d t or e d u c et h e w r i g h to f t h ef r o n ts u p p o r tb r a c k e tm a i nb o d y sn e ws t r u c t u r e ，t h ef r o n ts u p p o r tb r a c k e t m a i nb o d y sn o ws t r u c t u r ew e r ec a r r i e do u tt h ed e s i g no fs t r u c t u r a la m e l i o r a t i o na n d o p t i m i z a t i o n a i m e dt ot h em a t e r i a lo fm a g n e s i u ma l l o yo fs e n s i t i 哪o nt h et h e r m a lh e a tl o a d ， t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fm o t o r c y c l ee n g i n ec y l i n d e r - c o v e rm a d eo fm a g n e s i u m a l l o ym a t e r i a lw i l lb ec a r r i e do u t , b a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l to f c y l i n d e r - c o v e rm a d eo f m a g n e s i u ma l l o ym a t e r i a lp r o p o s e dt h ee f f i c i e n tm e a 翻j r eo fr e d u c i n gt h et h e r m a lh e a t l o a d a n ds t a r t e df r o mt h ep o i n t so f t h er e q u e s to f e n g i n ec o m p o n e n t sa s s e m b l ys t r e s s a n ds t i f f i l e s s ，m a g n e s i u ma l l o y sc r a n k c a s eo f s t r e n g t ha n ds t i f f n e s sw e r ec a r r i e do u tt h e s o l u t i o nb yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ss i m u l a t i o n ，a n dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f c r a n k c a s ee n dc o v e rw a ss t u d i e d b yt h er e s u l to fa n a l y s i sp r o p o s e dt h es t r u c t u r e m o d i f i e da d v i c eo f t h em a g n e s i u ma l l o yc r a n k c a s ea n dc r a n k c a s ee n dc o v e r o w i n gt oi n c r e a s et h ep r e s so ft h ed i e s e le n g i n e , t h ep i s t o na u g m e n t e dh e a ta n d m e c h a n i c a ll o a d s ，t h eh e a ds t r u c t u r eo fp i s t o na d o p tt h en e ws t r u c t u r a lp i s t o nw i t ha n i n n e ro s c i l l a t i n g - o i l - c o o l i n gc h a n n e l t os t u d yt h et h e r m a ls t r u c t u r eo fp i s t o n , t h e v e h i c l eo f t u r b o e h a r g e dd i e s e le n g i n e6 1 0 7 p i s t o nw i t hn l li n n e ro s c i l l a t i n g - o i l - c o o l i n g c h a n n e lc a r r i e do u tt h e r m a l s t r u c t u r a l a n a l y s i s b a s e do l lt h er e s u l to fc o m p a r i n g s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tt e m p e r a t u r e ，o b t a i n e dt h ef a c t o r so f t e m p e r a t u r ei n f l u e n c eo n p i s t o ns t r t l c t u r e , a n dp r o p o s e dt h em e t h o do fs t i e s s - t e n a p e r a t u r ep o i n tc l o u d sg r a p h e v a l u a t i o no fp i s t o n b yt h es i m u l a t e dd a t a , t h eo u t e rc o n t o u rd e s i g nm o l d e dl i n e so f 重庆大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：e n g i n e , p o w e r t r a i n , s u p p o r tb r a c k e tm a i nb o d y , p i s t o n , m a g n e s i u ma l l o y , f i i l i t ee l e m e n tm e m o d i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：击羽葛签字日期：岬年匆码午日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞盔堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：7 阳岑 导师签名： 签字嗍舻。翻年日 c 七h 签字e t g q ：神年。白。牛日 1 绪论 1 绪论 1 1 本文选题背景及意义 发动机动力总成零部件之间是一个较复杂的机械装配组合产品为了实现它的 一定功能，其装配单元包括了零件、组件和部件等层次要素，因此要使发动机具 有良好的性能，就必须对它的零部件进行合理而科学的设计和优化。国外一些汽 车工业发达的国家在开发新产品中普遍采用计算机辅助工程( c a d c a e ) 设计和 分析、虚拟实验、发动机台架测试实验以及将镁合金材料应用于一些零部件中等 各种先进的技术和手段，这对设计制造的发动机零部件耐热性能、结构强度与刚 度及动力性等方面的研究具有明显优势。而我国的一些汽车发动机工业技术大都 凭借经验和引进国外的先进发动机后进行仿造或局部修改的方法进行设计，对于 发动机的整体和零部件的热结构、强度与刚度、模态动力学性能等方面模拟仿真 与实验测试的研究还要进一步加强。 目前，发动机动力总成零部件产品的开发和设计中如遇到新型六档自动变速 器箱体前支架本体结构出现润滑油泄漏现象，为了改善它结构漏油、满足生产厂 家铸造模具工艺结构和减轻其重量等原因对其结构进行优化，结构如何改进才能 使其支承强度和刚度得到满足的问题。如何解决新镁合金材料在发动机零部件上 应用时热负荷偏高，强度与刚度及动态特性对结构的影响。由于柴油机增压后， 缸内燃气平均温度和爆发压力提高，热和机械负荷增大，热负荷过高，热应力加 大可引起燃烧室壁、气门座面和活塞表面产生裂纹；发生活塞环结碳、零件间隙 变化、润滑油高温结焦以及油耗增高等一系列问题的解决都迫在眉睫。为了解决 这些问题就是要广泛的借助有限元仿真技术和相关的实验平台进行分析与测试。 从而掌握发动机动力总成零部件产品研发的一些关键技术。 鉴于以上情况，本课题根据某公司的新型六档自动变速器箱体前支架本体结 构、重庆长江依之密活塞公司的新型车用增压柴油机振荡内冷油腔6 1 0 7 活塞及重 庆市自然科学基金项目资助( 批准号：c s t c 2 0 0 5 b b 4 1 6 6 ) 的摩托车发动机镁合金 新材料的曲轴箱体、曲轴箱体箱盖和气缸头盖为分析对象：以有限元法为基础， 凭借先进的现代计算机仿真技术和利用u g 、i - d e a s 和 m s c p 朋限a n 2 0 0 5 m s c n a s t r a n 2 0 0 4 软件建立了这些零部件的三维和有限元 模型，进行了零部件的温度场、静力学和动力学分析。特别是针对活塞热结构强 度、变速器箱体前支架结构强度与刚度，和摩托车发动机镁合金气缸头盖温度场、 曲轴箱体结构强度与刚度及曲轴箱体端盖的自由模态动力学等方面进行了探讨， 并结合相关的实验测试就这些零部件结进行了分析，揭示了它们的强度与刚度不 够和耐热性差的原因，提出了结构优化和改进方案。 重庆大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 汽车和摩托车零部件结构设计已经发展到采用包括有限元法、优化设计、动 态设计等现代先进设计技术在内的计算机分析、预测和模拟阶段。有限元法是最 有效的数值计算方法之一，它使人们对零部件关键参数的理解和设计更进了一步。 由于使用虚拟模型，零部件结构设计在有限元技术中的广泛应用，从而提高了设 计的可靠性，优化了结构设计周期更短，费用更低，质量更高。 1 2 1 变速器箱体前支架研究现状 变速器箱体前支架本体结构由于变速器类型不一样它的结构模型也不一样， 对于早期开发的各种支架工艺结构方面的研究比较成熟了，但关于变速器箱体支 架本体结构强度与刚度方面专门的理论和应用研究在国内外比较少。最近几年， 在国外，美国福特汽车公司新开发了六档自动变速器箱体前支架本体如图1 1 所示。 图1 1 美国福特汽车公司开发的支架模型与实体 f i 9 1 1 t h es u p p o r t b r a c k e t m o d e l a n d e n t i t y o f a m e r i c a f o r d c o 山t d o f d e v e l o p m e n t 这种自动变速器箱体前支架本体的结构与其它支架结构不太一样，将结构中 的油路结构作了改变，主要是在支架盘下端加强筋板的右端开了一个凹槽，把支 架结构中的油孔用两根弯曲的球墨铸铁金属材料圆管来替代，再把这两根油管埋 到凹槽里面，油管的一端插入到支架本体结构的油孔里面，油管的另一端用螺栓 2 1 绪论 联接到支架本体上。这种支架本体结构的优点是重量减轻了，缺点是这种弯曲油 管处的润滑油道有可能造成支架本体结构出现润滑油泄漏的现象。 在国内某产生厂家跟美国福特汽车公司合作，为了要生产这种新型六档自动 变速器支架本体产品也正在作关于它的结构方面研究工作，主要是在保证产品质 量要防止支架本体原结构弯曲油管处的润滑油道可能出现漏油现象。满足他们现 有的生产铸造模具结构工艺和降低生产成本费用的基础上将这种新型六档自动变 速器支架本体结构进行了修改，则经修改后开发出的新型支架本体模型如图1 2 所 示，主要是加强筋板上的凹槽填平，用斜向下的在里面挖有两个油孔且与原加强 筋板连为一体的柱形长条来替代原来的埋在凹槽中的两根弯曲油管。结构改进后 既要使支架结构满足支承强度与刚度的要求和不漏油，又要使支架的重量不得有 大的增加，因此在这方面的结构研究工作也正在进行当中。 图1 2 国内某生产厂开发的新型支架本体模型 f i 9 1 it h es i l p p 嘣b r a c k e tm a i nb o d y n e wm o d e lo f ac h i n e s em a n u f a c t m i n gp l a n to f d e v e l o p m e n t 1 2 2 镁合金零部件研究现状 镁合金新材料应用于发动机零部件上可以使其重量减轻，但限制镁合金在发 动机零部件上应用存在诸如耐热性差、结构强度和变形刚度大影响发动机零部件 的装配等问题。目前，国内外学者在耐热镁合金研究方面给予了大量的关注，做 了很多工作。但是，将美合金在发动机零部件上的应用还有待进一步的研究，这 有利于改善发动机的各方面性能、节约能源、降低噪声等各方面有着重要的作用。 在国外，澳大利亚的m o n a s h 大学、q u e e n s l a n d 大学、a m c 公司、c s i r o 联合欧洲的德国大众汽车公司和a v l 公司( 国际著名发动机专业设计公司) 开展 了镁合金发动机的研究项目，开发了一种可以耐2 0 0 ( 2 高温的新型砂型镁合金材料 a m - s c l ，并且开发出了镁合金l u p o 汽车3 缸发动机缸体，缸体质量| 4 k g ，比同 等铝合金缸体轻2 5 ，比铸铁缸体轻7 0 。在2 0 0 1 年，美国汽车材料公司同a m c 3 重庆大学硕士学位论文 公司和c s i r o 联合欧洲的德国大众汽车公司、a v l 公司3 大汽车公司也启动用于 动力系的镁铸件开发项目，该项目通过对各研究机构所开发出的耐热镁合金进行 基本性能评估，并以福特的v 6 发动机为原型，试制了缸体、油盘和前阀盖等零件。 另外，b m w 在新近推出的r 6 系列3 l 直列6 缸汽油机上的气缸头盖、曲轴箱体、 箱端和气缸体等零部件采用了镁合金材料。 我国是镁合金生产大国，但还不是技术大国。关于镁合金在发动机零部件的 应用技术研究方面很少。在国内，重庆隆鑫集团的下属子公司华鹰摩托已将镁合 金材料应用于摩托车及发动机上，这种新型镁合金材料摩托车，由重庆镁业科技 公司与隆鑫集团浙江华鹰摩托车公司研制。“全镁”概念摩托车的发动机气缸头盖、 曲轴箱体、箱盖及摩托车前后轮毂、尾盖、后扶手等1 2 个零部件，全部用镁合 金制造，整车镁合金用量达1 2 公斤。目前已经生产出来的镁合金零部件如图1 3 所示。 图1 3 镁合金气缸头盖、曲轴箱体端盖和曲轴箱体 f i 9 1 3t h ec y l i n d e r - c o v e r , c r l h - l k c a s ee n dc o v f f ra n d c r a n k c a s eo f m a g m s i u ma l l o y 1 2 3 活塞结构研究现状 发动机活塞有限元研究，国外早己开展了许多卓有成效的研究工作1 1 2 1 ，并提 出了一些新的研究手段和方法，国内对活塞的研究起步较晚，资金投入和重视程 度不足，相比国外有一定的差距，但目前国内许多学者对活塞的研究也较深入了。 就活塞具体研究过程现状作如下简述： 4 1 绪论 活塞有限元模型 活塞网格划分是分析求解重要先决条件，整个求解过程中，它具有最大的工 作量，即合理建立有限元网格模型将直接影响计算结果精度。目前，活塞有限元 网格生成方式有如下三种： 1 ) 取部分活塞建立对称网格模型 根据活塞实际形状在局部地方对其进行简化，将活塞通过轴线和销座孔中心 线平面及通过轴线和垂直于销座孔中心线平面都视为对称，忽略椭圆度。这样只 需取1 4 或1 2 活塞建立网格模型，可大大减少分析计算量。例如吴昌华取1 4 活 塞进行了应力和变形分析【3 】；何秉初取1 2 活塞进行了应力场分析 4 1 。 2 ) 取活塞整体建立非对称网格模型 由于双气门发动机活塞燃烧室的偏置、内腔形状复杂、避阀坑和活塞销座的 存在，整个活塞不具有轴对称性质。因此，为使计算结果可靠，采用非对称结构， 取整个活塞建立网格模型。咚景伟等采用活塞整体网格模型对缩口四角模型活塞 进行了应力和应变有限元分析【5 】，得到了较为理想的结果。 3 ) 取活塞组( 即活塞、活塞环、气缸套和活塞销的组合) 建立三维祸合网格模 型 对称网格模型和非对称网格模型只针对单个活塞而言，都没有考虑活塞与活 塞环间、活塞与润滑油膜间及润滑油膜与气缸套间的相互影响，模型相互间的边 界条件很难确定，只能以假定的燃烧室壁面平均温度为边界条件，给分析计算带 来一定的误差。近年来，由于计算机硬件的发展和有限元软件功能的完善，对活 塞、活塞环、气缸套和活塞销进行祸合模型分析已逐步实现。活塞组祸合网格模 型研究在国外尤为突出。国内也开始尝试对活塞组藕合模型的计算分析，但尚未 广泛应用6 】m 。冯立岩等在对6 e 1 6 0 柴油机活塞组进行有限元祸合分析i 引。 边界条件的确定 目前对边界条件的确定方法有解析法、试验法和试算法三种类型。解析法具 有方便、准确的优点，历来受到研究者的重视也是一直努力的方向。试验法对于 难以用解析法确定边界条件的情况时，它是一种行之有效的方法，且试验测定的 值通常比解析确定的值更能反映实际工作状态。对于既难以解析确定，又难以试 验测定的边界条件，可以先作假设再通过以某一量值为标准进行试算，使结果与 该标准值吻合，从而确定出此边界条件 9 1 。 活塞的传热是一个复杂的过程，热边界条件很难精确确定，通常活塞热边界 条件有两种确定方法【l o l ：一种是第一类边界条件，即已知活塞边界上的温度：另 一种是第三类边界条件，即己知活塞与其他介质的热交换系数。由于测定活塞表 面全部节点温度很不方便，因此在工程计算中较多地采用第三类边界条件。 重庆大学硕士学位论文 活塞有限元分析研究 当前活塞有限元研究中的静态温度场及机械应力应变分析日趋成熟，已有大 量成果和论文。对活塞瞬态传热、多物理场藕合和多相多态介质藕合问题，特别 是多尺度模型祸合问题的研究，还没有成熟的理论，处于探索阶段【l l 】【1 2 】。 现国内很多学者已对活塞进行了广泛研究。如文献中【l 习为了真实客观地反映 出活塞实际工作状况，在作有限元计算时，取活塞整体为三维有限元模型。文献1 1 4 l 中在考虑冷却油腔、油孔座等因素后，活塞不存在几何对称面，计算时对整个结 构进行建模。文献中【1 5 】根据几何形状或顶部受热情况，近似地取1 2 活塞为分析对 象。在文献中【16 】为了进行优化方案的选择，将活塞简化为轴对称二维形式的结构。 文献中 ”】分别建立了二维气缸套和活塞有限元分析模型。文献中【18 】对m 型燃烧室 柴油机活塞进行温度和机械载荷下的应力和变形三维有限元分析。 1 3 本文研究的内容 本文以有限元理论和现代先进的计算机仿真技术为基础，运用u g 、i d e a s 和m s c p a t r a n 2 0 0 5 m s c n a s t r a n 2 0 0 4 分析应用软件对前歌后新型六档自动 变速器箱体前支架本体、镁合金新材料零部件结构和新型车用增压柴油机振荡内 冷油腔6 1 0 7 活塞进行了三维实体和有限元仿真建模，合理的确定了每个仿真模型 有限元仿真所需的材料特性参数，指出了每个分析零部件结构各自相应的载荷边 界条件和位移边界条件( 约束条件) 的处理方法。所作的具体内容如下： 对新型六档自动变速器箱体前支架本体的原结构和新型结构模型分别进 行了在相同边界载荷条件下的结构强度和刚度有限元仿真分析，得到了支架本体 原结构与新型结构模型的等效应力与变形刚度的分布云图和仿真数值，分别将它 们在关键部位的应力与变形刚度仿真数据与公司提供的参考数据进行对比分析， 根据比较结果来判断前支架本体原结构与新型结构模型是否满足支承强度与刚度 的要求，及是否解决了原结构出现润滑油泄漏现象与新型结构减重的问题。 对摩托车发动机镁合金与铝合金气缸头盖温度场、曲轴箱体强度与刚度和 曲轴箱体端盏自由模态动力学进行了有限元仿真计算，获得了镁合金与铝合金气 缸头盖温度场、镁合金与铝合金曲轴箱体等效应力与变形刚度和镁合金与铝合金 曲轴箱体端盖的固有频率与振型的分布云图与仿真数据，将镁合金与铝合金零部 件结构的仿真数据，再结合相关的实验进行了比较分析。 对新型车用增压柴油机内冷振荡油腔6 1 0 7 活塞非对称结构，建立了全活 塞- 活塞销连杆小头的组合部件有限元模型，基于多层平板传热耦合原理和活塞 缸套耦合导热现象，计算了机械负荷和热负荷条件下活塞的应力与变形特征；将 活塞的仿真温度与实验测试温度值进行了对比分析，通过活塞变形数据提出了活 6 1 绪论 塞的外轮廓型线设计和由各点不同温度状态对活塞结构强度合理判断的应力一温 度散点国评价方法；在此基础上对活塞结构提出了改进设计方案。 7 2 新型六档自动变速器箱体前支架本体结构分析 2 新型六档自动变速器箱体前支架本体结构分析 本章所分析模型是某公司提供的新型六档自动变速器箱体前支架本体结构， 根据前支架本体原结构弯曲油管处的润滑油道可能出现漏油的现象和满足生产厂现 有的铸造模具结构工艺的要求，而提出了改善润滑油道的新型结构前支架本体和 结构优化设计方法，提出了改善润滑油道的前支架本体新型结构和结构优化设计 的方法。并对前支架本体原结构和优化设计结构分别进行了在相同边界载荷条件 下的强度与刚度有限元仿真分析。 2 1 箱体前支架本体模型及材料特性参数 2 1 1 箱体前支架本体结构三维模型 本章分析模型是某汽车公司提供的新型六档自动变速器箱体前支架本体实 物，并采用c a d 二维和u g 三维软件对箱体前支架本体进行三维模。如图2 1 所 示，支架本体上面是一个盘式的形状，下面是一个与盘相固定连接的空心轴。在 盘的上端，盘边沿有螺栓孔是通过螺栓与变速器箱体相联接，上面盘中间的圆柱 形突出体的中心孔壁面上有键槽，通过花键与变速器上的右齿轮相互联接；在盘 的下端，是通过加强筋板与盘的上端紧固连接为一体，中间有一个与盘体、筋板 相固连接为一体的空心轴，右边有一个凹槽，槽中两根弯曲油管。 图2 1 变速器箱体前支架本体三维模型 f i 蜉1l h e f r o n ts u p p o f t b r a c k e t m a i n b o d y 蛐c n s i o n m o d e l o f t r a n s m i s s i o n c a $ o 2 1 2 箱体前支架本体的有限元模型 本研究是在m s c p a t r a n 2 0 0 5 m s c n a s t r a n 2 0 0 4 有限元仿真软件中进行 的，在进行仿真计算之前要将变速器箱体前支架本体的模型作一定程度的简化处 9 重庆大学硕士学位论文 理，例如将模型中非常短小边线的倒角和圆角去掉，支架本体与变速器箱体相联 接的螺纹孔中的螺纹，和两根弯曲的油管都忽略了。模型的简化处理方法是为了 提高有限元仿真计算精度和节约计算时间1 1 9 j 1 2 0 l 。此有限元模型是在 m s c p a t r a n 2 0 0 5 软件中的有限元网化分模块( e l e m e n t s ) 中进行的，网格采用的是 正四面体四节点单元，网格单元的大小为0 0 2 个长度单位，共用了5 1 4 6 5 个单元， 8 5 5 2 0 个节点。变速箱体前支架本体的有限元模型如图2 2 所示。 图2 2 变速器箱体前支架本体有限元模型 f i 萨2t h ef r o n ts u p p o r tb r a c k e tm a i nb o a yf e m m o d e lo f t r a n s m i s s i o nc a 辩 2 1 3 箱体前支架本体的材料特性参数 由于球墨铸铁具有中高等强度、中等韧性和塑性，综合性能较高，耐磨性和 减振性良好，还有由于球墨铸铁的球状石墨微观结构，正是这种碳的球状微观结 构，使得球墨铸铁具有更加良好的展延性和抗冲击性，也能够消除铸铁内部的薄 片石墨容易产生的裂缝现象。球墨铸铁还具有比灰铸铁高得多的力学性能，抗拉 强度可以和钢媲美，塑性和韧度大大提高。在减弱振动能力方面，球墨铸铁优于 铸钢，因此更加有利于降低应力。球墨铸铁的低成本使得这种材料更加受欢迎， 铸造效率更高，也较少了球墨铸铁的机加工成本。能通过各种热处理改变其性能。 鉴于球墨铸铁的这些优点，在汽车制造材料中占有很大的比重。铸铁零件大多是 加工精度高、价格昂贵的基础零件，如气缸体、气缸盖、变速器箱体及端盖等。 根据上述球墨铸铁材料的特性优点，故文中所分析的变速器箱体前支架本体 就是运用球墨铸铁7 0 0 金属材料加工而成的，则球墨铸铁7 0 0 特性参数见如表2 1 所示。 表2 1 变速器箱体前支架本体的材料特性参数 t a b 2 1t h em a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro f f i o n t s u p p o r tb r a c k e t 名称 密度泊松比 弹性模量屈服强度 l 球墨铸铁7 0 07 3 0 0k g m 30 2 7 1 5 0 0 p a 1 3 0 0 m p a 2 2 箱体前支架本体的载荷边界条件 根据汽车理论1 2 1 1 ，当变速箱位于一档即起步档位置时，所受到的牵引力最大， 2 新型六档自动变速器箱体前支架本体结构分析 所以我们选取变速器为一档时发动机扭矩为最大的情况下，来计算变速箱体前支 架本体的受力载荷瞄】。此扭矩引起变速器的左齿轮和右齿轮在相互啮合处产生空 间啮合力，然后再将这个空间啮合力分解为齿轮之间有径向、周向和轴向三方向 的力，这三种力只有径向力的方向和齿轮轴线垂直，而周向力可以分解为一个力 矩和一个作用在齿轮轴线上并和齿轮轴线相垂直的力，因此可得到一个作用在齿 轮轴线上的径向合力。这三个力由公式( 2 1 ) - ( 2 4 ) 可计算出，和如图2 3 所标示。最 后通过力的平移原理和变速器右齿轮的传递作用将这三个齿轮啮合分解力移到变 速器箱体前支架本体的三个面上，将轴向力e 加在支架本体盘的中间圆环面上， 齿轮轴线上的径向合力f 加到支架本体圆柱体右边两个圆柱面l 和2 上，m p 是轴向 力e 平移时产生的附加力矩加到支架本体圆柱体前后两个圆柱面1 和2 上，则变速 器箱体前支架本体的受力分布情况如图2 4 所示。 图2 3 变速器箱体左齿轮与右齿轮啮合产生的啮合分力 f i g2 , 3t h ec o m p o n e n tf o r c eo f g e a rc o n n e c t i o no f t r a n s m i s s i o nc a s el e f ta n dl i g h t sg e a r f = l 1 0 0 0 r c = 鼻t a n a c o s p e = e t a n p f = 瓣 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 上式中，z 为变速器齿轮轴上的扭矩，单位：n m ；f 为变速器的传动比：r 为变 速器左齿轮分度圆半径，单位：姗；e 为周向力，单位：n ；e 为径向力，单位： n ；c 为轴向力，单位：n ：口为左齿轮分度圆上的压力角；卢为左齿轮分度圆上 重庆大学硕士学位论文 的螺旋角；f 为齿轮轴线上的径向合力，单位：n 。 图2 4 变速器箱体前支架本体的受力分布 f g2 4t h ed i s 扛i b l i b e a r i l 】gf o r c eo f f r o n ts u p p o r tb r a c k e tm a i nb o d yo f i r a n s m i s s i o nc a s e 2 3 箱体前支架本体的仿真模型 2 3 1 箱体前支架本体的约束边界条件 为了保证有限元仿真结果的真实可靠，就必须要使仿真模型在分析软件中所 加的约束边界条件与模型实物的装配情况一致。 图2 5 变速器箱体前支架本体约束边界条件 f i 9 2 5t h ef r o n ts u p p o r tb r a c k e tm a i nb o d yr e s t r a i n tb o u n d a r yc o n d i t i o no f i r a n s m i s s i o nc 嘲 本文所分析的变速器箱体前支架本体是安装在变速器箱体上的，支架本体盘 边沿通过螺栓与箱体相联接，在支架本体盘下端的边沿面是与箱体面相互重合的。 为了使仿真模型不产生附加应变的前提下，采取了在支架本体的螺栓孔内表面上 加z 向( 轴向) 的位移约束，在支架本体盘下端表面的轮廓面处加x 和y 向( 径向和 周向) 的位移约束。变速器箱体支痤本体的约束边界条件模型如图2 5 所示。 2 3 2 箱体前支架本体的载荷边界条件 在有限元仿真分析的过程中，通常情况下是将载荷以压力( 单位：p a ) 的形式加 2 新型六档自动变速器箱体前支架本体结构分析 载到仿真分析的模型上，故变速器箱体前支架本体上的三个载荷，即轴向力e 、 齿轮轴线上的径向合力f 和m p 是由轴向力c 平移时产生的附加力矩都是转化处 理成分布载荷的形式加到支架本体相对应的受力面上，如图2 6 2 9 所示。 图2 6 变速器箱体前支架本体轴向力c 分布载荷 f i 9 2 6 t h e f r o n ts u p p o r t b r a c k e t m a i n b o d y 只d i s t r i b u t i o n l o a d s o f t r a n s m i s s i o nc a $ e 图2 7 变速器箱体前支架附加力矩 m p 转化的分布载荷 f i 9 2 7t h ef r o n ts u p p o r tb r a c k e tb ym p o f 灯；a n s f o r m a t i o n st r a n s m i s s i o nc a s e 图2 8 变速器箱体前支架径向合力 f 分布载荷图 f i 9 2 8t h ef r o n ts u p p o r tb r a c k e td i s t r i b u t i o n l o a d s fd i s t r i b u t i o nl o a d so f w a n s m i s s i o nc a s e 图2 9 变速器箱体前支架本体仿真模型 f i 9 2 9t h ef r o n ts u p p o r tb r a c k e tm a i nb o d ys i m u l a t i o nm o d e lo f w a n s m i s s i o nc a s e 2 4 箱体前支架本体强度仿真结果分析 2 4 1 箱体前支架本体原结构强度与刚度分析 由某公司提供的六档自动变速器箱体前支架原结构模型如图2 1 0 所示，此原 结构的支架模型中盘的下端右边加强筋板上有一个凹槽，在凹槽的上面有两根球 重庆大学硕士学位论文 墨铸铁金属材料的弯曲油管，管的两端通过螺栓联接在支架本体上，整个前支架 本体的装配重量共为3 8 4 2 k g 。在作仿真分析时，为了使加载的方便和计算结果的 精确可靠，故在仿真模型计算中将两个弯曲油管忽略了通过仿真计算得出前支 架原结构的等效应力和变形位移分布云图，如图2 1 1 2 1 2 所示。 图2 1 0 变速器箱体前支架原结构三维模型 f i 9 2 1 0 t h e o r i g i n a ls t r u c t u r a l f r o n t s u p p o r t b r a c k e t t h r e e d i m e l l s i o l l m o d e lo f u e a s m i s s i o nc 擞 图2 1 1 变速器箱体前支架原结构的等效应力分布云图 f i 9 2 1 1t h e v o ns t r e s sd i s t r i b u t i o nc l o u d y - m a po f o r i g i n a ls t r u c t u r a l f r o n t - s u p p o r tb r a c k e to f t r a n s m i s s i o nc 蛳 图2 1 2 变速器箱体前支架原结构的变形位移分布云图 f i 口1 2t h ed i s p l a c e m e n td e f o z m a t i o nd i s t n o u f i o nc l o u d y - m a po f o r i g i n a l 咖c t u r a l f r o n t - s u p p o r tb r a c k e to f t r a m m i s s i o nc 啪 1 4 2 新型六档1 3 动变速器箱体前支架本体结构分析 图2 1 3 变速器箱体前支架原结构的重要受力部位 f i 9 2 1 3t h ek e yb e a r i n gf o r c ep o s i t i o no f 嘶g i n a ls t r u c t u r a l f r o n t - s u p p o r tb r a c k e to f w a n s m i s s i o nc a s e 以上图反映了变速器箱体支架本体等效应力和变形位移的分布情况，图2 1 l 反映的是支架本体上下两个面的全部等效应力分布( 单位：p a ) ，由图中可知，支架 的最大等效应力分布在与变速器齿轮相联接的花键槽的最上端，因为键槽在此位 置处要承受来自变速器右齿轮高速旋转而产生的交变载荷和齿轮重力的作用，使 键槽受到最大的挤压力作用而产生最大等效压应力，其值约为6 5 8 m p a ；最小等效 应力分布在支架本体下端的空心轴的最边沿，其值约为1 1 4 6 0 p a 。图2 1 2 反映的 是支架本体上下两个面的全部变形位移的分布( 单位：m ) ，由图中可知，支架本体 的最大变形是分布在变速器左齿轮和右齿轮相啮合位置处对应的支架本体盘上下 重庆大学硕士学位论文 两端这一方向的地方，其值约为0 1 5 4 6 m m ：最小变形分布在支架盘边沿加载位移 约束的地方，其值约为1 0 8 5xl 矿。图2 1 4 给出了支架本体的几个关键受力部位， 其具体值如表2 2 所示。表2 3 给出了公司提供的关于支架本体在图2 1 3 所标位置 的应力和变形的参考数据值。 表2 2 支架本体原结构关键部位的仿真应力和变形位移值 t a b 2 2t h es i m u l a t i o nv o i s t r e s sa n dd i s p l a c e m e n td e f o r m a t i o nd a t ao f t h ek e yp o s i t i o no f s u p p o r tb r a c k e tm a i nb o d yo r i g i n a ls u u c o j l e 关键部位点1 2345 6 应力方式压应力压应力压应力压应力拉应力压应力 等效应力m p 8 , 6 5 8 04 9 3 04 9 3 05 4 8 04 3 8 04 3 8 0 变形位移m m o 0 3 1o 1 5 20 1 4 60 0 7 70 1 2 5o 1 3 2 表2 3 公司支架本体原结构关键部位的应力和变形位移参考值 t a b 2 3t h ev o i is u e s $ a n dd i s p l a c e m e n td e f o r m a t i o no f r e f e r e n c es t a n d a r dd a t ao f k e yp o s i t i o n o f s u p p o r tb r a c k e tm a i nb o d yo r i g i i l a ls t r u c t u r ec o ，l i d 关键部位点 123456 应力形式压应力压应力压应力压应力拉应力压应力 等效应力，h 但a 6 6 4 o 5 1 2 05 1 3 05 5 2 04 7 6 04 7 7 0 变形位移m 0 1 5 20 3 2 60 3 2 10 2 1