1、金属带式无级变速器壳体的强度和刚度分析孙德志 郑宏远程乃士等金属带式无级变速器壳体的强度和刚度分析孙德志1郑宏远11东北大学，沈阳，110004程乃士2张伟华12重庆工学院，重庆，400050摘要：通过对一种自行研制的车用金属带式无级变速器(continuously variable transmission，CVT)壳体的应力和变形情况进行ANSYS有限元分析，表明CVT壳俸结构设计不仅对自身的强度而且对变速器的传动性能都十分重要。解决了由于传统设计时无法估算箱体变形而造成的传动隐患，使曲母线锥盘和摩擦片真正啮合，从而使轴向无偏的金属带传动成为可能，也为实现整个cVT系统的进一步优化和改进提
2、供了必要的依据。利用ProEngineer平台构筑了复杂的CVT箱体模型，利用ANSYS有限元分析软件对该模型进行了较准确的强度和刚度分析。关键词：CVT壳体；强度分析；刚度分析；ProEngineer；ANSYS中图分类号：THl401 文章编号：l004132X(2007)182191一04Strength and Rigidity Analysis of Metal Belt Continuously Variable Transmission(CVT)BoxSun Dezhil Zheng Hongyuanl Cheng Naishi2 Zhang Weihual1Northeaste
3、rn University，shenyang，1 00042Chongqing Industry Institute，chongqing，400050AbstraetBy carrying oil the stress and transform analysis of the box of a kind of Metal belt CVTwhich was selfdesigned and manufactured for vehicles，it is shown that structure design of the Metalbelt CVT box is very important
4、 for the intension capability of the box，and for the transmission runetions of CVTThe hidden trouble of the CVT transmission due to the designers was solved，whichcouldnt estimate the transform of ContinuousY Variable Transmission box by traditional designmethodand it was possible to make the curved
5、generatrix bevel一disc and friction plate really tomatch and no excursion for metal belt in transmission，also provided the necessary basis for further optimizing and ameliorating the whole CVT systemWe constructed a complicated model of CVT box byusing the terrace of PROEngineer software，and carried
6、on a series of accurate intension and rigid analyses for the model by using ANSYS softwareKey words：CVT box；strength analysisstatic rigidity analysis；ProEngineer；ANSYS0 引言金属带式无级变速器(continuously variabletransmission，CVT)是理想的汽车变速器。它具有传动比变化连续，功率大，效率高，传动平稳，操作简单，使车辆外界行驶条件与发动机负载实现最佳匹配，进而提高整车的燃料经济性能等诸多优点。在
7、当今世界油价上涨的趋势下，其优越的节油性能将会越来越引起世人的青睬，因此可以预见，cvT将成为今后几十年内车用变速器的主流“。虽然国外已有车用金属带式无级变速器产品，但是，其传动性能并没有达到最佳状态，其金属带在传动变速时的轴向偏移是亟待解决的问题。我国学者首先提出r摩擦传动中的啮合理论，实现了纠偏o。，当属国际首创。在理论上，按照曲母线设计锥盘可以保证摩收稿日期；2006-04 24基金项目：重庆市科委重点攻关项目(2005CC25)擦片与锥盘问良好啮合，进而实现金属带轴向无偏传动“。，但其没有考虑轴承支撑的位移和变形。而实际上，变速器壳体不是刚体，其受力变形，加之制造和安装的不确定度，很可
8、能造成壳体上的各轴承孔形位误差超差。因此在确定壳体上各孔的同轴度、轴线平行度的精度等级时，应当充分考虑变速器壳体的刚度。此外，上述壳体变形也会影响齿轮的传动性能。由于我们所设计的变速器壳体的结构极其复杂，其中汽车传动系集金属带传动、二级齿轮传动、差速器为一体，壳体安装有高压齿轮泵和液压控制系统，摩擦传动、液压控制和润滑的油路铸造在壳体上，壳体内部有驻车机构，造成中间齿轮轴成悬臂布置，加之壳体上必须开设一些工艺孔(削弱了壳体强度)，以及铝合金壳体壁厚很薄(通常壁厚度为45mm)，所以非常有必要对壳体进行强度校核，包括静强度校核和疲劳强度校核。本研究采用以特征为主体的三维实体建模系21 91 万方
9、数据中国机械工程第18卷第18期2007年9月下半月统ProEngineer建模，并利用ANSYS有限元分析软件“!，计算我们自行研制的车用无级变速器壳体的刚度和强度。经过对模型反复的修改和试骑，最终得出了可靠度较高的CVT壳体刚度和强度计算结果。l CVT变速器11 参数概要新型CVT变速器的第一轴连接发动机，转速为3500rmin时，其最大输入转矩为128 Nm(实测有效转矩为9996 Nm)；转速为5500rmin时，最大输入功率为62kW(实测功率为576kW)。该箱体的材料为铸铝ZLl04，其弹性模量为71GPa，密度为2700 kgm3，柏松比为033，在70的工作温度下抗拉强度极
10、限a“一290MPa，对称循环疲劳极限D-一967MPa。根据无级变速器的经济传动曲线秆f国内外相关的研究经验，最常用的车速为30OOkmh、5645kmh、68，00kmh、8800kmh和14200kmh，但其中只有当汽车速度处于8800 kmh时各轴承座承受的力最大，且使Jj频率相对频繁，所以选择该速度下的受力情况作为分析依据。12变速传动系统无级变速器的第一级传动为金属带式无级变速传动，第二级和第三级传动分别为斜齿圆柱齿轮传动。13无级变速器壳体的三维合箱装配图元级变速器壳体的三维合箱装配图如图1所示。图1 无级变速器三维合箱装配圈14 变速箱各轴承座的受力情况车速为88kmh时，轴承
11、座孔的支反力见表1。其中，第轴左右轴承座均布置在左箱体上。表1车速为88kmh时箱体上轴承座孔的支反力 N轴序号 I m l左端轴承座支反力 391 7 2018l右端轴承座支反力 1229 16l 32452箱体模型的建立21 模型的建立与导入本文采用ProEngineer软件对该壳体进行建模且仅选择右侧箱体作为简化模型进行分析。在将其导人ANSYS系统前对部分与材料强度无关或影响甚微的结构(如倒角、圆角和孔道等)进行了填平、拉直等结构上的简化。22箱体的有限元模型选用structure solid Tet 10 node 92单元，有限元模型为四面体模型，这种模型非常适合箱体等不规则结构的
12、有限元分析。考虑到模型较大，所以在对模型进行网格划分时，将单元大小选择为10，同时在模型的很多关键受力部位作了网格细化，考虑到计算速度，接受默认精度6，共划分出3 7 994个单元，61 740个节点。箱体受力以节点的形式进行施加。沿轴承座圆周的分布力如图2所示，各节点力为P。，P“，P。，参考滚动轴承滚动体的受力分析，z厂 、埝 i移图2轴承座孔集中力的分解由计算的轴承支反力F和变形协调条件可得：，一旦一P。2Pc。s+卜2P。cosm (1)m一360。Z (2)n=(z一1)4 (3)P。一时。 (4)式中，为轴承座孔单位线载荷，N；F为轴承座iL支反力，N；卅为轴承座沿轴线方向的关键节
13、点数量；R为受力最大单元所承受的最大载荷；Z为轴承座沿圆周线方向上的关键节点总数；为常数；口。为弹性变形。假设轴承座孔的几何形状非常准确，则当变形很小时盎一乩cos；s) (5)3 有限元分析结果31 施加约束并开始求解分析左壳体和右壳体变形时，可以假定用箱体接台面作为基准面。在此，我们仅列出右壳体稳态变形的求解结果。32计算结果从箱体总位移(图3)和应力(图4)分布图的结果可以看出，右壳体第轴轴承座附近的应力极小，几乎没有位移，原有设计即便是在没有加强万方数据金属带式无级变速器壳体的强度和刚度分析一 孙德志郏宏远 程乃士等筋的情况下也完全可以满足设计要求，而第1轴、第轴轴承座和油底壳远端则恰
14、恰相反，其中油底壳最远处编号为36 023的节点(z126093，Y一一197787，z一2i8814)位移最大，其值为00 234 965mm。而第轴轴承座中编号为17 313的节点(z一2233040，Y一一734445，z=120995)平均应力最大，其值为4925MPa，而最小平均应力和最小位移点分别位于编号为43 944(z一一606092，Y=1056510，z一一20000)和编号为449 69(z一一1300000，Y一一940711，21020710)的节点，其值分别为000 104 367MPa和0；同时从应变分布图(图5)可以看出，17 313节点也是最大平均应变点。据此
15、可以判定该点为箱体最易发生开裂的部位(其最大应变为0000 935 047，最小应变几乎为零)。圉3箱体总位移分布图凰4 箱体最大平均应力分布图原因，轴向承受能力远小于径向承受能力，所以轴向载荷的影响可能会占主要部分，计算结果证实了我们的推断，其最大平均应力值为30688MPa。34壳体模型的改进从上述分析可以得知，模型的最大位移位于油底壳最远端，这主要是由于油底壳过薄、悬臂过大造成的，因此在尽量不改变壳体基本结构的前提下，我们在大位移处增加了两条加强筋，而从图4和上述轴向载荷的影响分析中能够看出，壳体主要承受强度部位主要分布于第轴轴承座附近，为提高整体强度性能，我们在该处按照载荷分布增加了4
16、条三角形加强筋。由有限元分析知，改进后的模型得到了较为理想的结果，其中，箱体的最大位移值从00234965mm降到了0011858mm(图6)。而壳体最易发生破裂部位的最大平均应力值为40887MPa(图7)，比原模型降低了8363MPa。其他多数区域的应力也相应减小，据此可见，改进后模型的强度和刚度情况均得到了很大的改善。圄6 改进后箱体总位移分布图图7 改进后箱体最太平均应力分布图35结果修正完整的ProE箱体模型巾存在着大量铸造圆角。对其进行有限元分析时，由于箱体结构过于复杂且信息量巨大，导致有限元软件无法完成运算过程，因此在分析时采用了无圆角化处理，即图5 箱体总应变分布图 将所有铸造
17、圃角取消，用棱角代替。棱角和圆角通常，有限元软件都会以十分夸张的形式表 的应力集中效应明显不同，因此有必要对棱角化现出模型的变形量，而在实际情况下，图5所示的 的计算结果进行修正。变形均未超过imm。 棱角以及所对应的圆角的形状、大小和位置33 轴向载荷的影响 对箱体应力和位移都有着不同程度的影响。应力虽然理论计算得出第轴轴承座所受轴向载 修正方法是，将棱角化箱体的应力计算结果乘以荷比径向载荷要小许多，但实际上该处由于结构 圆角应力修正系数得到真实箱体的应力计算结293万方数据中国机械工程第18卷第18期2007年9月下半月果。位移修正也是如此。现以应力修正为例，应力修正系数为k，一d。口1
18、(6)式中，E。为棱角化模型各点的应力修正系数m为有圆角模型的应力计算值；吼为棱角化模型的应力计算值。经过统计我们得到整箱的平均应力最大修正系数。一0892，最大位移修正系数r，一089。因此，可以得到改进前模型的修正后的最大平均应力为439MPa，而改进后模型的修正后的最大平均应力为365MPa。改进前模型的最大位移为0021ram，改进后模型的最大位移为001lmm。36 结果分析与疲劳强度校核箱体的最大受力处是在第轴(输出轴)与油底壳相连接的部位，我们在进行疲劳强度校核时认为该处适台采用单向应力下的疲劳强度计算方法，原始壳体的最大应力为439MPa；改进后的应力值为365MPa，按脉动循
19、环应力计算疲劳强度”J；S。=_=L-s (7)各一蜘也=“l“ d。一一dmu2式中肛。为材料对称循环疲劳极限；岛为材料抗拉强度极限捣为应力幅；d。为平均应力；。为最大工作应力；。为臆力集中系数；b为绝对尺寸系数；口为表面状态系数。取，一2、。一09、口一09。对于变速箱这种大尺寸铸件，在材质的均匀性和工艺质量中等，并且难以精确计算时，取许用安全系数s=i417。原始壳体模型的疲劳强度为s 5意i而忑9而67器赢叫58 五百氚05439+专嚣帆5。439改进后壳体模型的疲劳强度为。!j：一一“2丽X 05X 365+鬻X O536 519Is因此认为改进后的变速箱壳体基本达到疲劳强度校核要求
20、，但还需进一步的改进。4 结论(1)右壳体第轴轴承座附近的应力和位移很小，不会影响金属带的轴向无偏传动。(2)箱体所受应力中轴向力的影响占主要部分。(3)输出轴轴承座下方所受载荷较大，说明原有设计中在该轴承座附近布署加强筋合理。(4)模型改进前油底壳位移过大，三维状态下最大应力和应变均出现在油底壳与输出轴轴承座结合部附近，同时从改进后得到的明显改善结果町以得出，相应区域的确需要增加加强筋。(5)改进后的CVT箱体安全系数有所增大，同时应力和位移均大幅度减小，疲劳强度满足要求。参考文献：1程乃土，刘温，李来平，等金属带式无级变速器J东北大学学报(自然科学版)，2000，21(5)：505 508
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23、者简介：孙幢志，男，1955年生。东北大学机械工程与自动化学院副教授。主要研究方向为摩擦学、现代机械传动与信息化技术。出版专著1部，发表论文40余篇。邦尘逞，男，1980年生。东北大学机械T程与自动化学院硕士研究生。程乃士，男，1947年生。重庆工学院CVI研究与发展中心主任，教授。取伟率，女，1961年生。东北大学机械工程与自动化学院副教授。万方数据金属带式无级变速器壳体的强度和刚度分析作者： 孙德志， 郑宏远， 程乃士， 张伟华， Sun Dezhi， Zheng Hongyuan， Cheng Naishi，Zhang Weihua作者单位： 孙德志,郑宏远,张伟华,Sun Dezhi,
24、Zheng Hongyuan,Zhang Weihua(东北大学,沈阳,110004)， 程乃士,Cheng Naishi(重庆工学院,重庆,400050)刊名： 中国机械工程英文刊名： CHINA MECHANICAL ENGINEERING年，卷(期)： 2007,18(18)被引用次数： 1次参考文献(9条)1.孙志礼;何雪宏;何韶君 机械设计 19982.孙志礼;闫玉涛 机械零件三维建模及可靠性软件集成期刊论文-中国机械工程 2006(04)3.张伟华;程乃士;孙德志 金属带式无级变速器锥盘母线的设计方法期刊论文-东北大学学报(自然科学版)2001(03)4.程乃士;刘温;张伟华 带(
25、链)式无级变速传动动态偏差分析和修正期刊论文-东北大学学报(自然科学版)2000(03)5.孙德志;谭振江;郭大中 金属带式无级变速器传动效率的分析期刊论文-东北大学学报(自然科学版) 2002(01)6.程乃士;刘温;郭大忠 金属带式无级变速器传动效率的实验研究期刊论文-东北大学学报(自然科学版)2000(04)7.Hendriks E Qualitative and Quantitative Influence of Fully Electronically Controlled CVT on FuelEconomy and Vehicle Performance 19938.Ashloy E Is CVT the Car Transmission of the Future 1994(11)9.程乃士;刘温;李来平 金属带式无级变速器期刊论文-东北大学学报(自然科学版) 2000(05)引证文献(1条)1.陈智.黎中银.黄树涛 旋挖钻机机锁式钻杆的有限元分析期刊论文-建筑机械（上半月） 2010(6)本文链接：http:/
