变速器壳体轻量化设计浅析

陈丹

摘 要：本文主要针对一款汽车变速器壳体的结构优化设计、CAE仿真校核浅析壳体的轻量化设计方案，从而有效降低壳体重量，为提高汽车的动力性、减少燃油消耗，降低成本、提高产品竞争力提供有利支持。

关键词：变速器;壳体设计;轻量化

1 引言

如今，节能环保已成为社会广泛关注的话题，汽车轻量化技术已经成为汽车产业最为重要的发展方向。变速器作为汽车动力总成的重要组成部分，其重量大约占整车的5%，而壳体作为整个变速器的外壳和支撑，其重量约占变速器总成的30%左右[1]。本文主要从变速器壳体布局、材料选取、结构设计等方面，根据CAE拓扑优化完善结构设计，满足强度、刚度及良好的NVH性能的同时实现重量最轻，从而提高汽车的动力性、减少燃油消耗，降低排气污染。

2 变速器壳体结构设计

变速器壳体总成主要由变速器前壳体和后壳体组成，采用螺栓连接形成整体封闭结构。为保证轻量化，前、后壳体的材料均为压铸铝合金。变速器壳体在变速器总成中主要起到支撑、包络和密封的作用，壳体功能决定了具有大体积、大重量的特征，同时要求其具有较高的结构强度、刚度及良好的NVH特性。

壳体在设计布局时，在保证与内部零部件间隙前提下，尽可能沿各零部件外轮廓布局，这样可最大情况下缩小变速器体积，从而减轻壳体重量。一般情况下壳体与齿轮等运作零部件（机加工面）间隙3mm左右，与拨叉等运动零部件（非机加工面）的运动包络范围间隙3mm～5mm，与挡油板等固定零部件间隙1mm～2mm。

2.1 基础壁厚设计

基本壁厚是构成压铸件基本形状的基体的厚度，变速器壳体是通过在基体壁厚上增加特征来构成的最终形状，一般情况下铝合金壳体的基础壁厚为3.5mm～4mm，轴承位壁厚为5.5mm～7.5mm，螺栓凸台壁厚为6mm～7mm。另外壳体最大壁厚一般不超过基本壁厚的5倍，否则易产生气孔、缩孔等缺陷。针对轻量化的壳体，设计的基础壁厚为3.5mm，轴承孔附近的局部壁厚6mm，螺栓凸台壁厚为5mm。

2.2 拓扑设计

拓扑优化是在原结构的基础上，在保证结构的刚度和强度以及振动特性满足要求的情况下，尽可能减少材料的使用，以达到使结构轻量化的目的。根据拓扑优化后的结果可以对壳体的结构进行修改，如减少壳体壁厚，添加加强筋的数目，改变壳体的局部结构。对优化后的结构重新进行有限元分析，与原壳体结构有限元分析结果进行比较，判断优化结构是否合理，是否仍能满足壳体结构的力学性能。

壳体内外接口、外部包络模型建立后，采用拓扑优化方式对壳体的加强筋设计采用指导作用。

针对拓扑优化仿真计算的结果，红色区域整体相对薄弱，需要多堆积材料。壳体上加强筋的主要作用是提高压铸件的强度和刚度，辅助料液的流通。加强筋的厚度要均匀，结构要对称，且要有一定的拔模斜度，一般情况下加强筋的壁厚与基本壁厚相同。针对轻量化的壳体，设计的基础壁厚为3mm，悬置等处受力较大处的壁厚为4mm，拔模斜度为1-1.5°。

2.3 铸造圆角半径设计

壳体上壁和壁的连接处应设置圆角，合理的圆角有利于金属流动和壳体的成型，避免壳体出现应力集中、裂纹等情况，以及延长壳体模具的寿命，并且能有效减轻壳体重量。常用的圆角半径设计见图2[2]。所以针对轻量化壳体的基础壁厚3.5mm，一般内部圆角设计也是3.5mm、外部圆角7mm。针对加强筋和基础壁厚的过渡圆角，一般内部圆角设计5mm、外部圆角设计9mm。

3 CAE仿真分析

3.1 壳体强度计算

汽车的使用工况非常复杂和恶劣，对零部件机械性能的要求非常严格，尤其是汽车关键部分动力传动系统，承受载荷情况比较复杂。为了避免出现结构强度缺陷，应当在产品设计阶段就保证其结构强度的可靠性，要对产品在各种工况下进行强度分析，保证产品可靠性。机械零件能够进行正常工作，在设计时必须要保证有足够的强度和刚度。将齿轮传动壳体导入到有限元分析软件Hypermesh中进行网格划分，采用网格划分功能进行四面体网格划分。壳体作用力是通过轴传递到轴承，轴承又作用到壳体轴承孔上，承受载荷情况比较复杂。根据铝合金的材料性能，定义CAE仿真的接手准则，主要关注疲劳极限、屈服极限、抗拉极限，应力计算结果及优化后视图如图3、图4。

3.2 壳体模态仿真

下面各图中，左上角数值为振幅，右上角为阶数和频率。

图5为该变速器前壳体初始振幅较大位置，发现在频率3809Hz时，该处最大振幅已接近58。由于该处红色区域的右侧设计了两处排空离合器腔内偶尔会进入细小杂物的缺口，相对比较薄弱。优化后在红色区域的下侧重新调整了纵向加强筋的位置，通过CAE重新分析后发现在保证前壳体总质量不变的基础上模态得到了明显改善，图6是改进后的前壳体振幅较大位置，已基本接近目标值40。

4 总结

通过从壳体结构设计、CAE仿真校核等方面对变速器壳体进行优化处理，使壳体在保证强度、刚度的同时，最大程度上减轻重量。本文所探讨的变速器壳体的轻量化设计方案，能有效降低壳体重量，为提高汽车的动力性、减少燃油消耗，降低成本、提高產品竞争力提供有利支持。

汽车产品在开发、设计过程中对结构性能的要求越来越高，如何在概念设计阶段就达到结构设计要求，已经成为汽车产品设计阶段的重要研究内容，拓扑优化技术可以在一定程度上指导汽车零部件进行结构设计。拓扑优化技术在汽车零部件设计中有着巨大的优势，在产品设计的最初阶段就可以进行指导，全面了解产品的结构和功能特征，根据设计目标得到最终优化设计方案。拓扑优化可以提高工作效率和产品质量，大大缩短了产品开发周期。拓扑优化不涉及结构的具体尺寸设计，因此可以指导同一类产品的开发设计，根据给定的最佳设计方案，为进一步的详细设计提供依据。

参考文献：

[1]陈启云.变速器轻量化设计探索[J].现代制造、工艺装备 2014（3）：1-6.

[2]王慧杰.变速器壳体轻量化设计[C]. 建筑工程技术与设计 2017.6：3596.