汽车机械式变速器计算机辅助工程（CAE）轻量化设计方法(T-TCMCA 0002—2020).pdf

ICS 21.200J 17 TCMCAT/TCMCA 00022020汽车机械式变速器计算机辅助工程（CAE）轻量化设计方法 CAE and lightweight design methods for manual transmissions of vehicles 2020-04-15 发布 2020-06-30 实施 中国机械通用零部件工业协会 发布 中国机械通用零部件工业协会团体标准中国机械通用零部件工业协会团体标准T/TCMCA 0002-2020 I 目 次 前言.III 1范围.1 2规范性引用文件.1 3术语和定义.1 4符号.1 5CAE 计算分析限值校核方法.2 5.1总则.2 5.2结构静强度校核方法.2 5.3结构疲劳强度校核方法.2 5.4结构刚度校核方法.3 6 零件轻量化设计方法.3 6.1变速器壳体轻量化设计方法.3 6.2齿轮轻量化设计方法.3 6.3轴类零件轻量化设计方法.3 6.4操纵装置壳体轻量化设计方法.3 6.5换挡拨叉轻量化设计方法.4 7 零件 CAE 仿真分析方法.4 7.1总则.4 7.2变速器壳体仿真方法.4 7.3齿轮仿真方法.4 7.4轴类零件仿真方法.4 7.5操纵装置壳体仿真方法.4 7.6换挡拨叉仿真分析方法.5 7.7其他零件仿真方法.5 附录 A（资料性附录）常用金属材料性能.6 附录 B（资料性附录）材料疲劳极限经验计算方法.7 参考文献.8 T/TCMCA 0002-2020 II T/TCMCA 00022020 III 前 言 本标准按照GB/T 1.12009给出的规定起草。本标准由中国机械通用零部件工业协会提出并归口。本标准起草单位：陕西法士特汽车传动集团有限责任公司、重庆青山工业有限责任公司、上海汽车变速器有限公司、綦江齿轮传动有限公司、盛瑞传动股份有限公司。本标准主要起草人：刘义、张海涛、游春秀、张建刚、姜坤、成程、陈超超、张海波、钟文莉、郭明忠、陈一峰。本标准为首次发布。T/TCMCA 0002-2020 IV T/TCMCA 00022020 1 汽车机械式变速器计算机辅助工程（CAE）轻量化设计方法 1 范围 本标准规定了汽车机械式变速器（以下简称变速器）计算机辅助工程轻量化设计中计算分析限值校核方法、零件轻量化设计方法和零件仿真分析方法。本标准适用于各类型汽车机械式变速器的设计与分析。2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 699 优质碳素结构钢 GB/T 1173 铸造铝合金 GB/T 3077 合金结构钢 GB/T 3480（所有部分）直齿轮和斜齿轮承载能力计算 GB/T 9439 灰铸铁件 GB/T 15115 压铸铝合金 3 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。3.1 拓扑优化 topology optimization 根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定区域内对材料分布进行优化的数学方法。3.2 集中载荷 concentrated load 仿真分析时可以简化为点载荷方式或者实际集中力加载的载荷。3.3 Mises应力 mises stress 基于剪切应变能的一种等效应力。4 符号 表1所示的符号适用于本标准。T/TCMCA 0002-2020 2 表1 符号 符号符号 术术 语语 单单 位位 首次使用首次使用 max 结构危险部位最大主应力 MPa 式（1）b 材料抗拉极限 MPa 式（1）ns 最小安全系数（根据零件设计功能确定）式（1）mises 结构危险部位最大mises应力 MPa 式（2）s 材料屈服极限 MPa 式（2）-1 材料疲劳极限 MPa 式（3）变形后的位移 mm 式（4）变形后的转角 或rad 式（5）许用位移 mm 式（4）许用转角 或rad 式（5）密度 g/cm3 表A.1 5 CAE 计算分析限值校核方法 5.1 总则 变速器轻量化设计应保证结构同时满足以下三项指标的最小安全系数：a)结构静强度；b)结构疲劳强度；c)结构刚度。5.2 结构静强度校核方法 5.2.1 对结构静强度危险部位进行 CAE 计算分析，校核其强度应满足以下要求：a)脆性材料最大主应力 maxb/ns.(1)b)塑性材料最大 mises 应力 misess/ns.(2)注：通常情况下，延伸率5%的材料称为塑性材料；延伸率5%的材料称为脆性材料。5.2.2 常用金属材料力学性能见表 A.1，表 A.1 未列出的可参见 GB/T 3077、GB/T 699、GB/T 1173、GB/T 9439 和 GB/T 15115。5.3 结构疲劳强度校核方法 对受到循环载荷的零件，校核其疲劳强度应满足以下要求，常用金属材料疲劳极限-1的经验公式参见附录B：a）脆性材料最大主应力 max-1/ns.(3)b）塑性材料最大 mises 应力 T/TCMCA 00022020 3 mises-1/ns.(4)5.4 结构刚度校核方法 必要时，需对结构刚度进行校核。一般情况下，通过关注部位的位移或转角来反映结构刚度。校核其刚度应满足以下要求：a)弯曲刚度条件 .(5)b)扭转刚度条件 .(6)注：弯曲刚度可用力除以其产生的位移得出，扭转刚度可用扭矩除以其产生的转角得出。6 零件轻量化设计方法 6.1 变速器壳体轻量化设计方法 a)变速器壳体进行轻量化设计，一般采用铝合金或镁合金材料；b)变速器壳体轻量化设计采用拓扑优化方式，确定加强筋的最优布局；c)合理地设计壳体型腔、铸造方式、壳体壁厚、拔模方向、加强筋厚度和方向；d)连接过渡部位尽量圆滑；e)尽量避免深腔、深孔等结构；f)避免设计过剩，如不必要的加工面、加强筋等；g)变速器壳体壁厚设计时应考虑强制润滑油路部位；h)采用模态分析方法，避免轻量化后产生共振。6.2 齿轮轻量化设计方法 a)采用合适的材料；b)在满足强度、刚度的情况下可减小轮缘、轮辐尺寸；c)设计合理的轮辐厚度、倒角、减重孔大小、减重孔数量等；d)允许的情况下，采用结合齿圈和齿轮一体化设计；e)齿根以下最小轮缘厚度较小时，将齿轮做成齿轮轴；f)采用合适的热处理工艺，以提高齿轮的承载能力；g)采用双压力角设计；h)采用结构优化、灵敏度设计、试验设计等方法指导设计；i)设计合理最优的齿轮参数。6.3 轴类零件轻量化设计方法 a)采用合适的金属材料；b)在强度及刚度满足要求的前提下，允许心部打孔；c)在强度及刚度满足要求的前提下，减小轴向和径向尺寸；d)采用合适的成型工艺；e)采用合适的热处理工艺；f)采用结构优化、灵敏度设计、模态分析、试验设计等方法指导设计。6.4 操纵装置壳体轻量化设计方法 T/TCMCA 0002-2020 4 a)操纵装置壳体进行轻量化设计，采用铝合金或铸铁材料；b)合理地设计壳体铸造方式、壳体壁厚、拔模方向、加强筋厚度和方向；c)连接过渡部位尽量圆滑。6.5 换挡拨叉轻量化设计方法 a)拨叉刚度及强度应满足设计要求；b)拨叉两侧叉脚尽量采用对称设计，以使得两侧叉脚刚度接近；c)适当位置可削减材料并添加加强筋。7 零件 CAE 仿真分析方法 7.1 总则 采用CAE仿真分析方法校核零件性能，必要时以零件实物进行试验验证。7.2 变速器壳体仿真方法 7.2.1 按合适的准则对变速器壳体划分网格，关注部位网格根据需要细化。变速器壳体有限元模型边界条件应与实际一致或试验安装方式一致。7.2.2 变速器壳体之间采用实体螺栓或虚拟螺栓连接，并设置接触面接触属性。7.2.3 根据变速器匹配车型及运行路况提取出极限载荷工况，转化为集中载荷（重力）和输入扭矩。a)集中载荷加载于变速器重心处；b)输入扭矩加载方法：根据输入扭矩和选定挡位速比，计算变速器轴承受力，将轴承孔力以分布压强方式加载。7.2.4 变速器壳体强度采用式（1）校核，疲劳强度采用式（3）校核。7.2.5 必要的情况下，为考虑变速器内部和外部的振动载荷对变速器壳体的影响，以避免产生共振，需进行模态分析。7.3 齿轮仿真方法 7.3.1 齿轮校核分为轮齿部分和齿坯部分两方面。7.3.2 轮齿部分按照 GB/T 3480 规定的方法分别校核给定变速器载荷谱下轮齿接触疲劳强度、寿命和轮齿弯曲疲劳强度、寿命。7.3.3 轮辐、轮缘和轮毂部分按以下要求：轮辐、轮缘和轮毂仿真分析采用有限元分析方法，有限元模型包括轴、啮合齿轮副及与其有连接关系的其他零部件；轮辐、轮缘和轮毂强度采用式（2）校核。7.4 轴类零件仿真方法 轴类零件仿真分析采用有限元分析方法。其抗扭强度校核参见DIN 743标准123。7.5 操纵装置壳体仿真方法 7.5.1 对操纵装置壳体划分网格。操纵装置壳体有限元模型边界条件应与实际一致或试验安装方式一致。T/TCMCA 00022020 5 7.5.2 根据变速器选挡和换挡实际极限工况进行仿真分析。7.5.3 操纵装置壳体强度采用式（1）校核，疲劳强度采用式（3）校核。7.6 换挡拨叉仿真分析方法 7.6.1 对拨叉进行受力分析，明确约束及受载部位，设置零件间连接关系，采用有限元方法计算拨叉强度及刚度。7.6.2 换挡拨叉两侧叉脚刚度差百分比应控制在一定范围内。7.6.3 拨叉材料一般为钢材，强度采用式（2）校核，疲劳强度采用式（4）校核。7.7 其他零件仿真方法 仿真分析按照以下要求：a)零件材料为铸铁或铝合金材质时，结构静强度采用式（1）校核，结构疲劳采用式（3）校核。b)零件材料为结构钢时，结构静强度采用式（2）校核，结构疲劳采用式（4）校核。T/TCMCA 0002-2020 6 A A 附 录 A（资料性附录）常用金属材料性能 表A.1列出了常用金属材料的力学性能。表A.1 常用金属材料的力学性能 材料材料 20CrMnTi 45 20CrNiMo HT200 HT250 ZL101A YL113 b MPa 1080 600 980 200300 250350 195295 230 s MPa 850 355 785 130195 165228 170 g/cm3 7.86 7.89 7.80 7.15 7.20 2.68 2.70 注1：20 CrMnTi、45 和 20CrNiMo 为热后性能。注2：常用压铸铝合金材料 ADC124为日本 JIS 标准中代号，性能等同于 YL 113。T/TCMCA 00022020 7 B B 附 录 B（资料性附录）材料疲劳极限经验计算方法 B.1 结构钢疲劳极限经验计算方法 结构钢抗拉疲劳极限：-10.3b.(B.1)结构钢弯曲疲劳极限：-10.43b.(B.2)B.2 铸铁疲劳极限经验计算方法 铸铁抗拉疲劳极限：-10.225b.(B.3)铸铁弯曲疲劳极限：-1(0.350.5)b.(B.4)B.3 铝合金疲劳极限经验计算方法 铝合金抗拉疲劳极限：-1(b/6)+73.5.(B.5)铝合金弯曲疲劳极限：-1(b/6)+73.5.(B.6)T/TCMCA 0002-2020 8 参 考 文 献 1 DIN 743-1:2000 Calculation of load capacity of shafts and axlesPart 1:General 2 DIN 743-2:2000 Calculation of load capacity of shafts and axlesPart 2:Theoretical stress concentration factors and fatigue notch 3 DIN 743-3:2000 Calculation of load capacity of shafts and axlesPart 3:Strength of materials 4 JIS H 5302 Aluminium alloy die castings _