毕业设计开题报告--某汽车五档手动变速器壳体建模与结构特性研究.doc

福建工程学院
毕业设计（论文）开题报告

机械与汽车工程 学院 车辆工程 专业
设计（论文）题目 ：
某汽车五档手动变速器壳体建模与结构特性研究
学生姓名 学号
起迄日期 2015年3月~6月
设计地点 福建工程学院
指导教师 洪亮

2015年 3 月 05 日
毕业设计（论文）开题报告
1. 结合毕业设计（论文）课题任务情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写文献综述。
1.1本课题研究背景
汽车的发展对人类产生了巨大的影响。由于汽油机转速高、扭矩小，而行驶速度的变化范围广，因此需要变速器来进行减速增距，以保证汽车在各种道路条件下都能够正常行驶。汽车变速器作为传动系统总成关键，主要改变传动比，扩大驱动轮转矩及转速的变化范围，借此来适应不断变化的行驶条件（如起步、加速、上坡等），并使发动机在最有利的工况下工作（功率较高而油耗低），它是影响汽车性能的关键部件，其齿轮传动系统性能的好坏直接影响到汽车各项性能指标[1]。而作为安装变速器各个部件的基础件，变速器壳体起着安装、保护齿轮传动机构和容纳润滑油的作用[2]。因此，变速器壳体应具有良好的动态特性与足够的结构强度，才能保护好壳体内部的零部件，保证动力传动系统的正常运转。利用三维建模软件建立变速器壳体实体模型，采用有限元方法对变速器壳体的动态特性与结构强度进行分析，施加正确的边界条件，可以准确的计算出变速器壳体各个部分的强度及其应力分布情况[4]。利用所得的壳体模态分析与应力分析结果，可提取其结构的动态固有频率与振型及壳体在不同工况下的应力分布情况。将这些数据作为其改进优化的参考依据，实现变速器壳体的结构优化。

1.2国内外研究现状
变速器振动产生的主要原因由齿轮的传动误差及换档冲击引起的，同时也有轴和轴承的弹性变形引起的振动。一对齿轮在啮合传动时，由于存在啮合间隙，因而产生啮合振动。除啮合振动以外，当一对轮齿进入啮合时，会产生频率较高的高次谐波振动。当齿轮在换档时，由于换档冲击力也会引起变速器的振动。齿轮啮合有单级啮合和多级啮合，有单齿啮合和多齿啮合的情况。为了降低振动，我们可以从振动传递路径和齿轮的啮合力等方面考虑[1]。
变速器壳体的发展随着变速器整体轻量化、紧凑化的趋势，在不断降低重量的同时也变的越来越紧凑，节省空间。其材料一般使用铸铝，采用整体式壳体，与上盖成一体。其优点是变速器前后轴承孔的同心度容易保证，装配、检查方便，使汽车满足轻量化的要求。壳体也应要有足够的刚度，用来保证轴和轴承工作时不会倾斜，故在壳体上应设计加强筋。为了注油和放油，在变速器壳体上设有注油孔和放油孔。为了保持变速器内部为大气压力，在顶部开有通气塞，壳体设有动力输出孔，还有倒档检查孔。
80 年代，国外学者将结构优化设计技术和刚柔体耦合动力学仿真技术结合起来实现变速器壳体轻量化，分析变速器壳体在动态载荷下结构刚强度。根据分析结果，对壳体进行整体或局部改进，达到优化设计的目的。 国内汽车变速器壳体结构优化设计方法的研究刚刚开始，传统的变速器壳体设计多采用有限元分析和经验设计相结合的方法。如赵丽娟，刘宏梅等人先利用软件Pro/E 建立了矿用减速壳体的三维实体模型，再利用 ANSYS 软件对壳体进行结构刚强度分析，并找出了危险区域[3]，对壳体结构进行再设计，这种优化方法效果显著，使壳体重量和材料成本均有降低。
在国外，日本UmeZawa教授在对直齿轮动态特性、斜齿轮的三维变形刚度、误差的影响等方面进行探讨之后，研究了斜齿轮传动副的振动问题。1991年，日本学者Tsuta研究了斜齿轮传动的动态特性，并考虑了轴和轴承的刚度对系统动态特性的影响。Kahraman建立了斜齿轮副线性动力学模型，着重分析了轴向振动对齿轮副动态特性的影响。国内在单自由度啮合齿轮副动态特性的研究方面，也做了大量的工作。西北工业大学的方宗德教授等研究了斜齿轮传动副的动态特性[9]。1992年，刘更教授分别研究了齿轮副各项参数对外啮合和内啮合斜齿轮传动系统振动特性的影响。
近几年，2002年Grzegorz Litak等研究了轴是弹性时，齿轮副啮合的非线性振动问题，研究了对单自由度增加附加自由度时可能产生的不同动态特性。马自达动力公司Yasunori Kanda等研究了用齿轮啮合振动分析法分析自动变速器的啮合力。对于薄的斜齿轮，试验分析法表明，齿轮的振动是影响齿轮噪声的主要原因，齿轮啮合力又是其中最重要的原因，改造后的齿轮振动噪声明显降低。D.Richards，D.J.Pines用passive方法来降低齿轮啮合接触力所产生的振动。Manish Kulkarni等研究了双离合器变速器换挡动力学及其控制。A. Kahraman等用集中质量法建立了十二自由度三维动力学模型，用有限元法建立了轴、轴承的模型，最终得出系统的振动方程，并进行了试验验证，找出了影响动态特性的几个重要的参数。同时，轴的动态特性对齿轮的振动噪声也是不容忽视的，V.Kartik等研究了齿轮轴的振动在齿轮振动和噪声中的影响。
Kahraman在齿轮传动系统有限元模型中考虑了轴承的刚度，分析了位移传动误差激励作用下的受迫振动响应及动态啮合力，并指出轴承的刚度对齿轮系统的动态特性有很大的影响。李润方等建立了包含齿轮、轴、轴承和箱体的齿轮系统模型，以渐开线单级圆柱齿轮减速器为研究对象分析了齿轮系统的动态特性，提出了从齿轮激励分析、有限元模型建立到振动响应计算的综合研究方法。2005年，常志权（学位论文）运用弹性接触有限元动态分析方法，建立了三维齿轮副啮合传动系统的有限元分析模型，并对该模型进行了瞬态模拟计算[10]。

1.3课题研究目的和意义
变速器在正常工作过程中，壳体因齿轮传动承受较大的载荷，可能产生较大的变形和应力。如果变速器壳体的刚度与强度不够，将会导致壳体产生裂纹或变形，这会造成齿轮和轴的安装误差，再加上齿轮和轴受载变形，破坏了齿轮理论上正确的啮合条件，降低了齿轮传动精度，引起齿轮传动系统的振动、冲击和噪声、齿轮过早疲劳破坏，导致整个变速器的性能下降。因此，在变速器设计时常常通过加大变速器壳体的厚度来提高其强刚度，但同时也加大了变速器壳体的自重，进而增加了整车质量，影响汽车的动力性和经济性。故对其材料的选择、加工精度和工艺流程的设计对能否设计出合适的变速器壳体至关重要。

1.4参考文献
[1]李颖.变速器壳体建模与分析[D].河北工业大学硕士学位论文，2010,4.
[2]高娟.汽车变速箱体结构强度分析与优化设计[D]吉林大学硕士学位论文，2011
[3]纪兵兵、陈金瓶.ANSYS ICEM CFD网格划分技术实力详解[M].中国水利水电出版社.2012.1.
[4]康一坡、霍福祥、魏德永等.变速器壳体强度有限元计算及结构改进分析[J].汽车技术，2011（10）：28-31
[5]北京兆迪科技有限公司.ANSYS Workbench 14.0结构分析快速入门、进阶与精通[M].电子工业出版社.2014.4
[6]闵海涛、高娟、马天飞.汽车变速器箱体结构强度分析与优化设计[J].中国机械工程，2012，23（20）：2014-2019
[7] Ashwani Kumara,Himanshu Jaiswala,et al. Free Vibration Analysis of Truck Transmission Housing Based on FEA[J].Department of Mechanical Engineering,2014:1588-1592
[8]DING Yongxiang,XIA Jnchen,et al. Fully automatic generation of finite element mesh[J].Progress in Natural Science,1993,(5):93-98
[9]方宗德，沈允文.斜齿轮传动动态特性的理论与试验研究[C]，中国机械工程学会第二届齿轮动力学会议论文集，1991：52-59
[10]常志权.汽车变速器齿轮啮合瞬态性能分析研究，［D］，重庆:重庆大学，2005

2.毕业设计（论文）任务要研究或解决的问题和拟采用的方法：
2.1研究内容
以某车5手动变速器为研究对象，采用数值模态分析的研究方法，利用大型有限元分析软件ANSYS对变速器壳体进行模态分析，并用其结果验证有限元模型的正确性。主要工作如下：
①研究汽车变速器传动系统振动产生的机理、振动的传递路径，分析变速器在不同档位下产生的振动对其壳体的影响。
②用三维建模软件CATIA对变速器壳体建立了三维实体模型；并将变速器实体模型导入Ansys/Workbench软件中建立有限元模型，利用I-DEAS自由网格划分（free meshing，FE）功能对变速器壳体进行有限元网格的划分，并进行数值模态分析（自由模态与约束模态）和应力分析。
③利用其他同学对此款变速器所做的试验模态分析结果，与内容②中Ansys/Workbench软件对其壳体数值模态分析的结果进行对比，验证壳体有限元模型的正确性。
④结合变速器壳体数值模态分析、应力分析以及试验模态分析的结果找出在变速器正常工作情况下壳体应力较集中及振动较大的部位，提出优化方案，对原有模型进行优化，使此款变速器达到更好的工作状况。

2.2拟采用的方法
2.2.1技术路线
①查阅文献
对本课题相关论文、期刊和教材的阅读理解，吸收相关的理论知识和方法，确定论文大纲内容。
②三维实体建模
运用CATIA三维建模软件对变速器壳体进行实体建模。采用专业工具对此款变速器壳体进行测绘，数据采集完后，利用CATIA三维建模软件进行实体建模。
③建立有限元模型
将建好的三维模型导入到ANSYS有限元分析软件中，建立有限元模型。
④ANSYS有限元分析
运用ANSYS中的网格划分、模态分析和应力分析三个模块对有限元模型进行各个模块的运用，获得在各个模块下的分析结果。
⑤验证有限元分析结果
结合整个变速器试验模态分析的结果和其壳体数值模态分析的结果，验证壳体有限元模型的正确性。
⑥优化
提出一套优化方案，对此款变速器进行优化。

2.2.2关键技术与重点难点
①实体测绘能力。对5挡手动变速器壳体的建模，实体测绘，对于变速器壳体的轮廓尺寸很难准确的获取，尤其是曲面轮廓。
②CATIA三维建模软件的使用，对不规则体（特别是曲面部分）建模存在很大的难度，需要好好的研究。
③ANSYS有限元分析软件中网格划分、模态分析和应力分析三个模块的使用，获取在各个模块在分析的结果，并匹配整个变速器的试验模态分析结果，验证其壳体数值模态分析结构的正确性。

指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见和对毕业设计（论文）结果的预测）：

该课题从某汽车5挡变速器改进着手，学习并掌握Catia三维建模软件和Ansys有限元分析软件，对此款变速器壳体进行了逆向测绘与仿真分析，从而指导实际工程中变速器的生产和设计。研究内容具有一定的深度和广度，技术路线清晰，安排合理，同时工作量满足要求，开题准备充分，经努力能完成任务。

指导教师___________
年 月 日

学院意见：

院长___________
年 月 日
说明：开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一，此报告应在导师指导下，由学生填写，经导师签署意见及学院审查后生效。