何放 黃德健 楊曉彤

【摘 要】某車型雙離合自動(dòng)變速器連接板與飛輪的裝配空間狹小，為了縮短裝配時(shí)間并實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，文章運(yùn)用Ansys軟件的Workbench優(yōu)化模塊，首先對(duì)離合器連接板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，然后對(duì)連接板進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的樣件通過(guò)了臺(tái)架試驗(yàn)和整車實(shí)驗(yàn)。在滿足連接板性能的條件下，減少了裝配時(shí)間并實(shí)現(xiàn)了零件的輕量化設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】雙離合自動(dòng)變速器；連接板；Ansys；優(yōu)化

【中圖分類號(hào)】U463.212 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）05-0054-04

0 引言

變速器是汽車動(dòng)力總成中的重要部件，對(duì)汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性都起著關(guān)鍵的作用，其性能已成為人們?cè)谫?gòu)車時(shí)的重要參考指標(biāo)。隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展及顧客的要求越來(lái)越高，變速器的技術(shù)也在不斷地發(fā)展和進(jìn)步，雙離合自動(dòng)變速器對(duì)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性、整車動(dòng)力性和換擋平順性都有較大的提高，因此在國(guó)內(nèi)外都迅速普及開來(lái)，并得到消費(fèi)者的青睞。

雙離合自動(dòng)變速器連接板（簡(jiǎn)稱連接板）是匹配雙離合自動(dòng)變速器車型傳動(dòng)系中的重要一環(huán)，某車型的連接板通過(guò)6顆螺栓將變速器的雙離合器與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪連接起來(lái)，并將發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩傳遞給變速器，再傳遞到連接的驅(qū)動(dòng)軸及車輪實(shí)現(xiàn)車輛行駛。連接板外形和數(shù)模剖視圖如圖1所示。

在項(xiàng)目開發(fā)初期的整車試裝過(guò)程中，裝配人員發(fā)現(xiàn)連接板與飛輪之間的裝配空間狹小，需要通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上的“窗口孔”進(jìn)行安裝，如圖2所示，在如此狹小的空間內(nèi)裝配6顆螺栓的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不能滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求。

為了方便裝配人員裝配，減少裝配時(shí)間，滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求，且減輕零件重量，節(jié)約單件成本，本文應(yīng)用Ansys軟件對(duì)連接板結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)連接板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

Ansys軟件的分析流程如圖3所示。

1 導(dǎo)入3D數(shù)模&建立有限元模型

利用UG軟件建立該連接板系統(tǒng)的3D數(shù)模，為了使分析結(jié)果更接近真實(shí)情況，需考慮與連接板相關(guān)聯(lián)的零部件，因此該連接板系統(tǒng)包含連接板、飛輪、焊接螺母和連接螺栓（如圖4所示）。再將建立的3D數(shù)模導(dǎo)入Ansys軟件中，根據(jù)條件建立連接板的有限元模型（如圖5所示）。

2 連接板有限元分析

2.1 材料特性

在做連接板的靜力強(qiáng)度分析時(shí)，還需要考核相應(yīng)的連接螺栓強(qiáng)度，選用螺栓規(guī)格為六角法蘭面螺栓M8×1×12，此連接板系統(tǒng)中各個(gè)零件的材料特性見(jiàn)表1。

2.2 施加載荷

在連接板與雙離合器輸入端的花鍵連接部位施加固定約束，同時(shí)在連接螺栓上施加螺栓預(yù)緊力，螺栓預(yù)緊力取14 000 N；在飛輪與曲軸連接處施加發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩，即220 N·m，該狀態(tài)為連接板系統(tǒng)受力的極限工況，用于分析連接板與連接螺栓的應(yīng)力情況。

2.3 分析結(jié)果

經(jīng)過(guò)Ansys分析處理后，提取連接板與連接螺栓的應(yīng)力情況（如圖6、圖7所示）。

由圖6可知，在臨界狀態(tài)下，連接板最大應(yīng)力在與飛輪螺紋的連接處和與雙離合器花鍵的連接處，為15.46 MPa，安全系數(shù)取2.0，結(jié)果為30.92 MPa，遠(yuǎn)小于連接板材料的許用應(yīng)力745 MPa，屬于過(guò)設(shè)計(jì)，可以考慮對(duì)連接板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到減重和降成本的目的。

由圖7可知，在臨界狀態(tài)下，連接螺栓最大應(yīng)力為536.13 MPa，安全系數(shù)取1.2，結(jié)果為643.36 MPa，遠(yuǎn)小于連接螺栓材料的許用應(yīng)力1 000 MPa，屬于過(guò)設(shè)計(jì)，可以考慮對(duì)連接螺栓的數(shù)量和排布進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到減少裝配時(shí)間、減重和降成本的目的。

2.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)分案及模型

針對(duì)以上分析結(jié)果，采用如下方案對(duì)連接板系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：連接板最大應(yīng)力在與飛輪螺紋的連接處和與雙離合器花鍵的連接處，而它們之間的區(qū)域受力比較小，對(duì)連接板強(qiáng)度與剛度貢獻(xiàn)小，考慮對(duì)稱及應(yīng)力集中等因素，在此區(qū)域采用沖孔減重設(shè)計(jì)，并將6顆螺栓連接的結(jié)構(gòu)改為勻布的3顆螺栓結(jié)構(gòu)。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的3D數(shù)模和有限元模型分別如圖8、圖9所示。

2.5 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的分析結(jié)果

采用與優(yōu)化設(shè)計(jì)前相同的材料特性及施加載荷情況，分析計(jì)算連接板與連接螺栓的應(yīng)力情況，分析結(jié)果如圖10、圖11所示。

把優(yōu)化前后連接板和連接螺栓的質(zhì)量和最大應(yīng)力的變化匯總成表2，從表2可以看出：優(yōu)化后連接板的質(zhì)量下降了0.19 kg，最大應(yīng)力雖然增加到24.97 MPa，但小于連接板材料的最大許用應(yīng)力745 MPa，符合設(shè)計(jì)要求；優(yōu)化后的連接螺栓質(zhì)量下降了0.039 kg，最大應(yīng)力雖然增加到764.65 MPa，即使考慮1.2的安全系數(shù)，最大應(yīng)力為917.58 MPa，仍小于連接螺栓的最大許用應(yīng)力1 000 MPa，符合設(shè)計(jì)要求。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的驗(yàn)證

連接板作為汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，必須通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)、實(shí)車裝配、整車試驗(yàn)去驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的可靠性。

對(duì)優(yōu)化后的樣件進(jìn)行靜扭臺(tái)架試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法如下：把連接板固定在臺(tái)架上，從0 N·m開始逐步加載至規(guī)定扭矩為止，記錄扭矩和轉(zhuǎn)角，之后卸載扭矩至0 N·m，記錄此時(shí)扭矩和殘余角。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，連接板未見(jiàn)損壞，試驗(yàn)通過(guò)。

對(duì)優(yōu)化后的樣件進(jìn)行交變載荷臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)工況見(jiàn)表4，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示，連接板在3種工況下均無(wú)裂紋和損壞，試驗(yàn)通過(guò)。

按照優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)制作樣件進(jìn)行實(shí)車裝配，裝配人員反饋比優(yōu)化前更容易裝配且節(jié)省裝配時(shí)間，能夠滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求。

最后進(jìn)行整車道路試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后拆解變速器，發(fā)現(xiàn)連接板無(wú)破損，試驗(yàn)通過(guò)。

綜上可知，優(yōu)化后的連接板能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

汽車由上千個(gè)零部件組成，這些零部件之間的連接結(jié)構(gòu)非常重要，在設(shè)計(jì)時(shí)不僅需要考慮滿足其功能性要求，還需考慮裝配的可行性與便利性，以及考慮減重設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

本文通過(guò)運(yùn)用Ansys軟件對(duì)連接板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠快速指導(dǎo)連接板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以減少或避免多次臺(tái)架試驗(yàn)，從而縮短開發(fā)周期及減少開發(fā)費(fèi)用。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的連接板在滿足性能的前提下，不僅更容易實(shí)現(xiàn)變速器與發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配，減少了裝配時(shí)間，還節(jié)省了3個(gè)螺栓的成本，以及減輕了連接板的重量和節(jié)省了連接板的成本，使產(chǎn)品更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

這充分體現(xiàn)了Ansys軟件優(yōu)化技術(shù)的優(yōu)越性，此技術(shù)可以使開發(fā)人員在開發(fā)零部件過(guò)程中不斷進(jìn)行優(yōu)化，既可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，又可以降低生產(chǎn)成本。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]