拖拉机动力换挡变速箱箱体的强度分析及轻量化设计

发布时间：2020-05-01 19:31

【摘要】：拖拉机在行驶过程中,箱体所处的工作环境比较恶劣,承受很多突如其来的外力,有时还会产生很大的振动和噪声,影响工作人员的驾驶。因此,箱体必须满足强度、刚度以及振动特性等使用要求,这样才能保证箱体内部齿轮正常有序的运转,有助于提高变速箱的使用性能和使用寿命。在箱体结构强度分析的基础上,根据强度分析结果,对箱体进行拓扑优化设计,以减轻箱体重量,达到轻量化的目的。首先,本文简述了变速箱箱体研究背景及研究意义,阐述了箱体国内外研究现状和轻量化技术国内外研究现状。本文以16个前进挡和16个倒退挡的动力换挡变速器作为载体,在此基础上对变速器在UG软件中建立箱体的三维实体模型。在箱体建模过程中,根据企业所提供的一些参数,做出了大量的计算。箱体初步模型完成后,在箱体上还需添加油道孔、液压阀座、观察口、过渡圆角等,最终得到了箱体的三维模型。全文以变速箱箱体作为研究对象,对箱体进行必要的简化后导入有限元分析软件ANSYS中,添加箱体材料属性,进行网格划分等,进而得到了箱体的有限元三维模型。其次,利用变速箱箱体的有限元三维模型对箱体进行静力分析,变速箱一共有32个挡位,选取动力换挡变速箱的一挡和倒一挡的典型工况进行结构强度分析计算,得到了箱体的应力云图和总变形云图。通过观察箱体应力云图和总变形云图可知,箱体的强度和刚度均满足使用要求,并且安全系数足够,可以进行优化设计分析以减轻箱体重量。再次,利用变速箱箱体的有限元模型对箱体进行模态分析,包括自由模态分析和约束模态分析两部分。通过对箱体有限元模型施加正确的边界条件,完成变速箱箱体的约束模态分析,得到了箱体的前16阶模态振型与频率,通过分析可知,箱体发生共振的可能性很小,因此箱体满足振动要求。通过自由模态分析,得到了箱体的前18阶模态振型与频率,可以对箱体结构本身的尺寸和振动情况有所了解,从而加以改进设计不恰当的地方,完善设计的箱体。最后,利用变速箱箱体的有限元模型对箱体进行拓扑优化设计分析,同样选取动力换挡变速箱的一挡和倒一挡的典型工况进行拓扑优化设计。利用ANSYS Workbench中的Shape Optimistic模块对箱体进行全局拓扑优化设计,在一挡工况下将箱体在分析软件ANSYS的Target Reduction一栏中分别设置20%和30%,求解得到相应的优化结果图;在倒一挡工况下将箱体在分析软件ANSYS的Target Reduction一栏中分别设置20%和30%,求解得到相应的优化结果图。根据优化结果对原有箱体进行修改,将修改后的箱体再进行静力分析,结果表明箱体的刚度、强度依然满足使用要求,同时箱体的重量下降了11.67%,达到了轻量化的目的。
【图文】：

示意图,机构,轴齿轮,齿轮

全动力换挡副传动装置内安装四轴 S4、五轴 S5、六轴 S6、七轴 S7、八轴 S8。传动机构示意简图如图2.1 所示，传动机构示意图如图 2.2 所示。图 2.1 变速箱传动机构示意简图1.主传动装置；2.副传动装置；3.第一轴齿轮 3；4.第二轴齿轮 4；5.第一轴齿轮 5；6.第二轴齿轮 6；7.第三轴齿轮 7；8.第一轴齿轮 8；9.第二轴齿轮 9；10.第三轴齿轮 10；11.第三轴齿轮 11；12.第二轴齿轮 12；13.第四轴齿轮 13；14.第四轴齿轮 14；15.第六轴齿轮 15；16.第五轴齿轮 16；17.第四轴齿轮 17；18.第六轴齿轮 18；19.第五轴齿轮 19；20.第六轴齿轮 20；21.第七轴齿轮 21；

示意图,机构,挡位,示意图

图 2.2 变速箱传动机构示意图.1.2 变速箱传动机构速度分析变速箱传动机构一共由 10 个湿式多片离合器控制，通过液压系统控制离的接合与分离，进而控制变速器挡位。3 个离合器控制一个挡位，总计可得6 个前进挡位和 16 个倒退挡位，可形成的速度范围是 0.3~50km/h。变速器的分布稀疏，呈阶梯式上升，换挡很少有卡顿现象，大大提升了驾驶员舒适感时适合拖拉机在各个环境下作业，增加了拖拉机的使用寿命。在全动力换挡主传动装置中，离合器 C1、离合器 C2、离合器 C3、离合4 可形成前进Ⅰ挡、前进Ⅱ挡、前进Ⅲ挡、前进Ⅳ挡四个动力换挡挡位，离 C2、离合器 C3、离合器 C5、离合器 C6 可形成倒退Ⅰ挡、倒退Ⅱ挡、倒退、倒退Ⅳ挡四个动力换挡挡位，每两个离合器控制一个挡位。由传动机构结构和速度两方面分析可知，全动力换挡及换向变速器结构简凑，布置方便，节省空间，，传动路线清晰，能实现较多的前进挡位和倒退挡位
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S219

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