提高变速器壳体有限元分析精度的方法
【专利摘要】本发明涉及一种提高变速器壳体有限元分析精度的方法，该方法包括建立离合器壳体、变速器壳体、上盖、齿轮等主要部件组成的总成有限元模型，在齿轮啮合节点上施加齿轮啮合力，固定与飞轮壳相连接的离合器壳体螺栓孔，在所有齿轮与相应两侧支撑轴承之间施加齿轮轴的旋转自由度约束，完全中断转矩从齿轮轴传递到壳体轴承孔的路径。本发明在所有齿轮与相应两侧支撑轴承之间施加齿轮轴旋转自由度约束，避免了轴承与轴承孔之间发生相对转动或者具有相对转动趋势，解决了壳体轴承孔应力偏大问题，使得变速器壳体有限元仿真更加符合实际，有效提高了壳体有限元分析精度，进而达到提高产品设计精度，减少产品试验频次，节约产品开发成本的目的。
【专利说明】提高变速器壳体有限元分析精度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种提高汽车零部件有限元分析精度的方法，特别涉及一种提高变速 器壳体有限元分析精度的方法。
【背景技术】
[0002] 作为重要基础件，变速器壳体应具有足够的强度抵抗发动机强劲转矩引起的齿轮 啮合力以及不平路面引起的变速器惯性力等载荷的作用，以达到支撑齿轮轴、保护齿轮传 动机构，满足整车对变速器不同转矩及转速要求需要的目的。
[0003] 目前，变速器壳体强度校核方法广泛采用有限元法，它首先根据齿轮载荷计算公 式将齿轮轴转矩转换为齿轮啮合力（包括径向力、轴向力、圆周力），然后将齿轮啮合力加 载到齿轮节点上；同时为了防止齿轮轴的自由转动以及根据结构受力等效原理，还需约束 输入轴输入端、输出轴输出端的旋转自由度。理论上，被约束的齿轮轴旋转自由度上的支反 力应等于齿轮轴理论转矩，但实际采用有限元法计算的转矩要小于理论转矩。原因是，轴 承、轴承孔等圆柱形结构的曲面有限元网格模型是由多个较小的平面组成的，如果仅约束 输入轴输入端、输出轴输出端的旋转自由度，齿轮轴转矩将直至作用到被约束的旋转自由 度上时才能被终止。在此过程中，由于齿轮轴属于弹性体，齿轮轴将发生扭转变形，当其扭 转变形通过轴承时，轴承有限元模型与轴承孔有限元模型之间将发生相对转动，或者具有 相对转动趋势，这样便使得相互接触的轴承、轴承孔有限元网格模型中的多个较小平面之 间发生错位与挤压，由此消耗了部分转矩。轴承、轴承孔有限元模型的错位与挤压将引起壳 体轴承孔在径向方向上的膨胀，从而造成轴承孔变形与实际不符，结构应力偏大，最终导致 壳体有限元分析仿真精度下降的问题。
【发明内容】
[0004] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种新的提高变速器壳体有限元分析精度的 方法。
[0005] 为实现上述目的，本发明的提高变速器壳体有限元分析精度的方法包括下述步 骤：
[0006] 一、建立变速器壳体有限元模型：分别对离合器壳体、变速器的各零部件进行网格 划分，然后通过定义相接触部件之间为接触关系将它们装配在一起；
[0007] 二、定义有限元模型材料：依据离合器壳体和变速器中各零部件的实际材料定义 有限元模型中的材料弹性模量E、泊松比μ;
[0008] 三、施加有限元模型载荷：计算载荷包括两类，一是齿轮啮合力，其采用齿轮载荷 计算公式计算得到，然后施加到变速器中相应齿轮的啮合节点上；二是螺栓预紧力，其由螺 栓预紧力与螺栓拧紧力矩之间的关系式得到，然后施加到变速器中的螺栓轴上；
[0009] 四、施加有限元模型边界条件：模型边界条件包括两类，一是固定与飞轮壳相连接 的离合器壳体的螺栓孔，以模拟发动机对变速器的支撑作用；二是在变速器所有齿轮与齿 轮两侧轴承之间借助刚体单元施加齿轮轴的旋转自由度约束，以完全中断转矩从变速器中 各齿轮轴传递到变速器壳体轴承孔的路径；
[0010] 五、进行变速器壳体有限元分析：采用牛顿-拉普森方法迭代计算变速器壳体的 应力和应变，过程如下：
[0011]初始时刻t0= 0 的位移 =O，节点力二〇;
[0012] 采用下述方法迭代计算At时刻变速器壳体的应力和应变；
【权利要求】
1. 一种提高变速器壳体有限元分析精度的方法，其特征在于包括下述步骤： 一、 建立变速器壳体有限元模型：分别对离合器壳体、变速器的各零部件进行网格划 分，然后通过定义相接触部件之间为接触关系将它们装配在一起； 二、 定义有限元模型材料：依据离合器壳体和变速器中各零部件的实际材料定义有限 元模型中的材料弹性模量E、泊松比y; 三、 施加有限元模型载荷：计算载荷包括两类，一是齿轮啮合力，其采用齿轮载荷计算 公式计算得到，然后施加到变速器中相应齿轮的啮合节点上；二是螺栓预紧力，其由螺栓预 紧力与螺栓拧紧力矩之间的关系式得到，然后施加到变速器中的螺栓轴上； 四、施加有限元模型边界条件：模型边界条件包括两类，一是固定与飞轮壳相连接的离 合器壳体的螺栓孔，以模拟发动机对变速器的支撑作用；二是在变速器所有齿轮与齿轮两 侧轴承之间借助刚体单元施加齿轮轴的旋转自由度约束，以完全中断转矩从变速器中各齿 轮轴传递到变速器壳体轴承孔的路径； 五、 进行变速器壳体有限元分析：采用牛顿-拉普森方法迭代计算变速器壳体的应力 和应变，过程如下：
[C]表示弹性矩阵，其由材料弹性模型E和泊松比y确定；
2. 根据权利要求1所述的提高变速器壳体有限元分析精度的方法，其特征在于在所述 步骤一中，零部件接触部位的有限元网格划分至少要保证两排有限元网格单元处于接触状 态；与变速器壳体轴承孔相接触部位的轴承外圈网格与变速器壳体轴承孔网格一致；变速 器壳体轴承孔及与其相接触的轴承外圈部位在圆周方向上至少划分为90份，轴向上至少 划分为5份。
3. 根据权利要求1所述的提高变速器壳体有限元分析精度的方法，其特征在于在所述 步骤三中，各齿轮啮合力包括圆周力、径向力和轴向力，其采用公式（10)进行计算，将齿轮 啮合力作用到有限元模型中时，借助局部圆柱坐标系，坐标系的Z轴沿齿轮轴轴线方向，R 沿齿轮轴的径向，t由Z、R根据右手准则确定；螺栓预紧力采用公式（11)计算得到，作用方 向沿螺栓的轴向；
公式（10)中，Ft、Fr、Fa分别为齿轮的圆周力、径向力和轴向力，M为齿轮传递的转矩，d为齿轮节圆直径，an为齿轮法向压力角，0为齿轮节圆处螺旋角；
公式（11)中，F为螺栓预紧力，T为螺栓拧紧力矩，k为螺栓拧紧力矩系数，D为螺栓直 径。
4.根据权利要求1所述的提高变速器壳体有限元分析精度的方法，其特征在于所述步 骤四中，刚体单元的主点定义在齿轮轴的中心，从点选择于齿轮与轴承之间齿轮轴有限元 模型上的节点。
【文档编号】G06F17/50GK104484526SQ201410783745
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月16日 优先权日:2014年12月16日
【发明者】康一坡, 魏德永, 叶绍仲 申请人:中国第一汽车股份有限公司