电动公交车变速器壳体的强度分析与拓扑优化设计

摘要

为了缓解汽车带来的环境污染和能源领域的压力，同时为了响应国家节能减排的政策，越来越多的城市选择纯电动公交车作为其市内的交通工具。而电动汽车传动链中变速器的壳体作为齿轮传动系统的支撑部件，承受着来自传动系统的各种复杂载荷，常常会受到较大的弯曲、扭转力和冲击力的共同作用;同时由于电动机调速调矩范围广的优势，取消了电动机与变速器之间的离合器，进而电动机的转矩直接作用于变速器上，这对变速器壳体的承载能力提出了更高的要求。在此背景下，采用更先进的数字化技术开发出高强度、高刚度、轻质、低振动、噪声小、低成本的变速器壳体，对于提高国际市场竞争力具有重大的研究意义。
　　本文以某电动三档变速器的壳体为研究对象，采用多体系统动力学仿真技术、有限元分析技术与拓扑优化技术相结合，对变速器壳体的性能进行优化设计。主要研究工作如下。
　　(1)阐述了与本课题有关的国内外研究现状及发展趋势，指出了研究过程中要注意的关键问题，进而提出本文要研究的内容和目标。
　　(2)详细介绍了变速器的整体结构，对变速器传动系统进行了受力分析以及采用专业三维建模软件Creo2.0对变速器进行三维建模，为变速器壳体的研究打下基础。
　　(3)基于多体系统动力学理论，采用ABAQUS与ADAMS软件相结合的方法，建立了变速器一档传动的刚柔耦合仿真模型。经仿真求取传动轴的转速和齿轮副的接触力，并通过与理论计算值进行对比的方法，验证了刚柔耦合仿真模型的正确性。继而求取了轴承的动态载荷，为壳体结构的力学分析提供精确的激励载荷。
　　(4)在详细介绍有限元分析相关理论的基础上，采用ABAQUS软件建立了变速器壳体的有限元分析模型，采用了合理的简化轴承载荷的加载方式，即在轴承孔中心建立了MPC多点耦合约束，并在其主节点上施加简化后的轴承载荷后，再进行壳体结构的有限元瞬态动力学分析。通过分析，可以初步了解壳体结构的应力及位移分布状况，并可根据分析结果判断壳体是否需要进一步优化。
　　(5)基于拓扑优化理论，对壳体结构进行了多工况下的静力学刚度优化设计和动力学特征值优化设计，以寻找出壳体结构载荷传递经过的路径，及时发现结构的薄弱环节和过剩区域，并针对以上出现的问题提出壳体的优化方案。对优化后的壳体再次进行有限元瞬态动力学分析，以验证壳体是否依然满足刚强度的设计要求。
　　(6)在详细分析有限元模态相关理论的基础上，对经上述优化后的壳体进行动态性能分析。通过壳体的模态分析，及时了解壳体结构的固有频率及模态阵型，并与外部激振频率以及齿轮啮合频率进行对比，以避免与壳体结构发生共振。最后，对传动轴转速和齿轮接触力进行快速傅里叶变换，研究变速器齿轮传动系统的振动规律，为变速器内部故障的诊断提供参考依据。
　　结果表明，本文的壳体在优化后不仅能满足刚强度的设计要求，同时在减轻重量约10％后，仍能够避免共振现象的发生，优化后壳体的整体性能得到了提高。本文的研究方法和结果，可为其他型号的变速器壳体的研发提供参考。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 本课题的研究背景和意义

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 变速器壳体开发过程中存在的问题

1．3．1 施加在变速器壳体的动态载荷

1．3．2 变速器壳体轻量化设计的成本问题

1．4 课题的来源、研究目标、主要研究内容

1．5 本章小结

第二章 变速器传动系统的受力分析和三维建模

2．1 变速器结构及工作原理

2．2 变速器一档工况的受力分析

2．3 变速器的建模及装配

2．4 本章小结

第三章 变速器一档的虚拟样机仿真

3．1 多体系统动力学理论基础

3．1．1 多刚体动力学理论基础

3．1．2 多柔体系统动力学的基本理论

3．2 变速器传动系统一档刚柔耦合模型的建立

3．2．1 壳体和Ⅱ轴的柔性化处理

3．2．2 定义零件属性

3．2．3 定义约束

3．2．4 定义齿轮之间的接触力

3．2．5 加载驱动力与负载

3．2．6 柔性体与刚性体的替换

3．2．7 仿真采样频率的确定

3．2．8 仿真结果的分析与验证

3．2．9 轴承载荷的提取

3．3 本章小结

第四章 变速器壳体的瞬态动力学分析

4．1 有限元分析的基础理论

4．1．1 弹性力学理论

4．1．2 有限元分析的思想

4．1．3 有限元分析的步骤

4．1．4 有限元分析的几类方程

4．2 壳体有限元模型的建立

4．2．1 壳体三维模型的建立

4．2．2 壳体结构的简化

4．2．3 壳体材料及截面特性的设置

4．2．4 建立MPC多点约束

4．2．5 加载及边界条件处理

4．2．6 单元大小的确定和壳体网格的划分

4．2．7 建立分析任务

4．3 壳体结构有限元分析的结果

4．4 本章小结

第五章 壳体结构的拓扑优化设计

5．1 拓扑优化的基础理论

5．2 拓扑优化算法

5．3 壳体结构拓扑优化模型的建立

5．3．1 设计变量

5．3．2 目标函数

5．3．3 约束条件

5．3．4 可行域设置

5．3．5 载荷工况

5．3．6 参数设置

5．4 壳体结构拓扑优化的结果分析

5．5 优化后壳体的刚强度验证

5．6 本章小结

第六章 壳体优化后的模态分析

6．1 模态分析的基础理论

6．2 模态分析的方法类型简介

6．3 模态分析有限元边界条件的确定

6．4 模态分析计算频率范围的选取

6．5 壳体结构有限元模态分析的结果

6．6 傅里叶变换

6．6．1 传动轴转速和齿轮副接触力的快速傅里叶变换

6．6．2 结果分析

6．7 本章小结

总结与展望

论文的特色

论文不足和研究展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢