基于Inspire的变速箱壳体尺寸优化策略

设备管理与维修2018翼10
（上
）基于Inspire 的变速箱壳体尺寸优化策略
王玉梅
（德州职业技术学院，山东德州253034）
摘要：以质量最小为优化目标函数，运用Solidthink 中的Inspire 软件对变速箱壳体进行尺寸优化。

对比优化前后变速箱壳体的特
性，完成变速箱壳体的优化设计，实现变速箱壳体减重1.85kg，解决局部等效应力超过屈服强度问题，在保证变速箱壳体动静态性能的情况下，实现变速箱壳体的轻量化，使变速箱壳体材料分布达到最优状态。

关键词：变速器变速箱壳体；尺寸优化；Inspire 中图分类号：U463文献标识码：
B DOI ：
10.16621/ki.issn1001-0599.2018.10.110引言
变速箱壳体是变速箱的关键零件，它将变速箱的齿轮、轴、轴承及拨叉等零件组装成一个整体，并保持相互之间的正
确位置，按照一定的传动关系传递动力。

变速箱壳体体型较大，结构形状复杂，技术要求比较高，而轻量化设计成为各个车企实现降低油耗的重要措施之一，通过降低汽车重量，提高汽车的燃油经济性、节省能耗、减少污染。

在不影响汽车的安全性、抗振性以及舒适性的前提下，利用拓扑优化方法，对变速器变速箱壳体进行优化再设计，既保证良好的使用性能，又实现变速器变速箱壳体轻量化设计。

运用Altair Solidthink 有限元软件的Inspire 对变速箱壳体进行前处理，并调用结构优化模块进行尺寸优化分析，实现变速箱的轻量化设计,得到同时满足多工况条件下动静态性能提高的变速箱壳体结构，并提高材料的利用率。

1优化前模型的确认
变速箱壳体材料为铸铝，采用高压铸造工艺，其弹性模量E =75GPa ，泊松比滋=0.3，密度籽=2.7伊103kg/m 3，屈服强度160MPa ，
抗拉极限270MPa 。

在加载条件和校核中主要考虑轴变速箱壳体内的齿轮参
数、相关轴状态、刚度曲线等相关因素，在力平衡和力矩平衡的基础上，根据发动机输出扭矩计算出不同档位变速齿轮箱壳体的各个轴承座上的受力情况
首先，通过Inspire 软件对变速器壳体优化前的模型进行仿真分析。

对变速箱壳体的质量、强度和刚度进行分析和验证，保证优化前后变速箱壳体性能不变，同时为优化提供目标值和约束值。

通过仿真分析得到，变速箱壳体质量为14.8kg,变速箱壳体的等效应力180MPa ，大于变速箱壳体材料的屈服强度，一阶模态680Hz ，约1000Hz ，故原模型
在性能上不满足设计要求。

优化原模型见图1。

2优化模型的建立2.1可设计空间的提取
首先提取变速器变速箱壳体
的可设计空间，使变速箱壳体的模型在最大程度上充满设计空间，并确保变速箱壳体与内外部
零部件的静态和动态连接关系，
图1优化原模型
缺部位应用假键进行补偿。

（2）转子平衡登记、工作转速、校正半径等参数都要通过图纸确定并对转子重量进行现场称取，对允许剩余不平衡量的转子进行计算。

（3）在泵设备转子动平衡试验中，对叶轮结构应当进行充分考虑，分解一个极坐标位置的不平衡量，然后通过打磨、车削等方式适当将扇形范围内的重量减轻，但是在处理过程中，应当注意控制叶轮强度，严格根据图纸或者动平衡程序控制去除的厚度、质量，严格控制平衡过程。

5结束语
泵类设备是核电设备的重要组成部分，其安全稳定运行关系着整个核电站的安全运行，必须严格把关各种泵的动平衡试验，按照规定的验收标准严格执行，以保证设备的稳定运行，从而更有利于核电站的安全运行。

参考文献
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〔编辑李
波〕
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）图2减速器变速箱壳体拓扑优化模型
图5变速器壳体优化模型
项目质量/kg 等效应力强度/MPa
一阶模态/Hz
原模型15.2170680优化后模型
13.351101048差值
1.85
60
368
图4
优化结果云图
图3模型未优化部分与优化部分避免发生干涉影响到内外部零部件工作和安装件，除了拓扑优化外，使用该模型应满足结构的制造工艺要求，为避免发生后期不能满足制造加工的问题。

对原模型进行可设计空间提取，给出优化前使用的最大材料空间，见图2。

2.2
优化模型加载及优化设置
优化模型采用
与齿轮箱优化模型相同的模型对优化模型进行加载，并在加载后完成变量、优化响应、约束和目标值得建立。

在优化过
程中，优化模型根据
加工制造工艺可行性问题的要求，将变速器壳优化模型划分为若干个子优化空间，并进行变量设置，使优化结果更便于加工制造。

将优化区域中每个子区域分别设置为变量，根据不同部位的设计使用不同的拔模方向，循环对称数等加工制造约束。

在优化过程中，模型的响应将直接影响优化结果是否合理，是否满足设计要求。

该优化模型的响应选择的是体积分数、静态位移、静态应力、频率和灵活性。

本次为静动态相结合的结构拓扑优化采用柔度响应为组合柔度指数，模型未优化部分与优化部分对比见图3。

结构复杂的变速箱壳体，一般在2个方面进行优化设计：淤通过一个简单的制造工程约束参数设置，变速箱壳体表面
的基本结构分析；于详细的制造工艺约束参数的设置，得到变速箱壳体表面加强筋的布置结果。

两者结合，得到符合设计要求和性能良好而且美观的变速箱壳体结构。

通过仿真计算和模型的调整，最终得到优化结果云图（图4）。

通过对比可以看出，单一挡位重点部位材料的布局形式再多挡位结合在材料的布局上均有体现，为了获得良好的NVH （Noise ，Vi原bration ，Harshness ，
噪声、振动与声振粗糙度）性能，强度、刚
度通常结合多挡位工况结合的优化结果当作变速箱壳体整体的分布，但拓扑优化结果通常只作为结构设计的方向，因为优化结果比较粗糙，所以它只作为
一个参考。

3优化后变速箱壳体设计与验证分析
3.1优化前后对比结果
基于优化结果和变速箱壳体的设计原则，利用三维建模软
件建立变速器壳体的优化模型（图5）。

3.2优化结果分析验证
对变速器壳体进行再设计后，对优化后的模型进行分析和验证。

从刚度、强度
和质量3个方面进行验证，并与原方案进行比较，见表1。

表1分析验证结果
分析结果表明，变速箱优化后质量比优化前模型轻1.85kg ，对应的等效应力模型等价于115MPa ，原壳变速箱压力达170MPa ，
一阶模态1035Hz ，满足目标设计要求，因此该优化不仅提高了原变速箱壳体的性能，还实现了轻量化设计。

4结论
（1）通过Inspire 软件完成了变速箱壳体强量化要求，减重
1.85kg ，实现减重目标。

（2）通过拓扑优化设计提高材料的利用率，减少冗余复杂结构，降低材料成本；同时保证了变速箱壳体工艺制造的最佳工艺性，提高模具使用寿命，降低模具成本。

（3）在变速箱壳体设计初期，充分考虑变速箱壳体结构的刚度、强度、模态等，避免重复修改等大量工作，有助于提高设计人员的工作效率，缩短变速箱壳体开发周期，降低开发成本。

参考文献
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波〕。