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。
【作者】黄勇；
【导师】凌玲；
【作者基本信息】广东工业大学，机械电子工程，2014，硕士
【关键词】变速器；多体动力学仿真；瞬态动力学分析；拓扑优化设计；模态分析；

【参考文献】
[1]向东.基金持股比例对我国股市波动的影响[D].华中科技大学,世界经济,2012,硕士.
[2]胡振邦.脉冲注入式功率型LED热特性测量系统研制[D].厦门大学,精密仪器与机械,2014,硕士.
[3]郭腾云,陈小钢,吴绍洪,岳燕珍,朱华忠,王雷.基于WebGIS的空间数据共享解决方案[J].科技导报,2004,03:17-20.
[4]周文华,姚蔚峰,冯铭,邓乾发,吕冰海,袁巨龙.基于双平面研磨方法的圆柱滚子抛光实验研究[J].轻工机械,2014,04:36-38.
[5]廖钱波.互联网行业中层管理者胜任力模型构建研究[D].北京邮电大学,企业管理,2012,硕士.
[6]马金凤.收入分配制度改革中的政府职能转变研究[D].安徽大学,西方经济学,2014,硕士.
[7]朱彦君.基于张量分解的缺失数据插补算法的研究[D].杭州电子科技大学,计算机软件与理论,2014,硕士.
[8]刘亚莉.有机光电器件中的磁效应[D].西南大学,凝聚态物理,2013,硕士.
[9]霍媛.我国社会医疗保险委托管理模式研究[D].首都经济贸易大学,社会保障,2014,硕士.
[10]王素新,李志文,韩静媛.具有方形势垒的单层石墨烯的隧穿特性[J].承德民族师专学报,2011,02:1-3.
[11]姚德山.基于BIM技术的建筑工程成本管理系统[D].安徽大学,软件工程,2014,硕士.
[12]贺冰花.城市干线交通信号协调控制优化与仿真研究[D].长安大学,计算机应用技术,2014,硕士.
[13]谢政.三淅高速公路水泥稳定碎石基层应变规律研究[D].长安大学,建筑与土木工程（专业学位）,2014,硕士.
[14]楼向东.自营铁路数字调度通信系统的改造[J].铁道通信信号.2007(04)
[15]刘芬.znf9基因在玉米黑粉菌发育过程中的功能研究[D].吉林大学,生物工程,2014,硕士.
[16]任逎承,文伏田.小方坯连铸计算机数据采集和控制系统[J].冶金自动化,1991,05:24-28.
[17]张永军.问题图式对高中生数学问题解决影响的研究[D].东北师范大学,学科教学,2012,硕士.
[18]林玥,任坚毅,岳明.太白山红桦种群结构与空间分析[J].植物生态学报,2008,06:1335-1345.
[19]王成淑.用于介电型EAP发电机的电压变换器研究[D].南京航空航天大学,机械电子工程,2013,硕士.
[20]廖威敏.面向自然场景的端对端英文文字识别研究[D].厦门大学,计算机应用技术,2014,硕士.
[21]阿地里江·艾合特.中国工商银行阜康支行个人VIP客户关系管理研究[D].新疆大学,工商管理,2013,硕士.
[22]刘东杰.新制度主义视域下的本科生导师制研究[D].华中师范大学,高等教育学,2014,硕士.
[23]谢德明,刘勇,薛永亮,杨艳苹.壳聚糖包埋TCNQ/乙酰胆碱酯酶电极的研究[J].浙江工业大学学报,2014,02:137-141.
[24]王晖.海洋剖面环境多参数采集系统研制[D].杭州电子科技大学,电路与系统,2013,硕士.
[25]周婷.氟西汀合并乳腺癌化疗药物临床应用的药理基础[D].南方医科大学,药剂学,2012,硕士.
[26]辛星,姚霞银,许晓雄,刘兆平.高性能硅碳复合负极材料的研究[A].中国电子学会化学与物理电源技术分会、中国化学与物理电源行业协会、中国电工技术学会氢能发电装置专业委员会、中国电工技术学会电池专业委员会、化学与物理电源重点实验室.第29届全国化学与物理电源学术年会论文集[C].中国电子学会化学与物理电源技术分会、中国化学与物理电源行业协会、中国电工技术学会氢能发电装置专业委员会、中国电工技术学会电池专业委员会、化学与物理电源重点实验室:,2011:2.
[27]王洪月.认知无线电频谱感知技术与加权序贯似然比检测分析[D].内蒙古大学,信号与信息处理,2014,硕士.
[28]程振华.我国住房反向抵押贷款法律问题研究[D].大连海事大学,法律,2014,硕士.
[29]姜南.葫芦岛市台集屯镇农村体育开展现状与对策研究[D].沈阳体育学院,体育教学,2013,硕士.
[30]宋光平.铁路货运量预测方法研究[D].北京交通大学,2007.
[31]马新生.三唑磷在水稻及其环境中的分布、迁移与残留[D].浙江大学,植物保护（专业学位）,2012,硕士.
[32]李平.NCN双西弗碱型钳形钯（Ⅱ）化合物的合成及其在Sonogashira反应中的催化应用[D].天津大学,有机化学,2013,硕士.
[33]范志勇,赵晓男.要素相对丰裕度改变与中国供给结构调整[J].世界经济,2014,08:24-41.
[34]卢文增.大城市出入口道路与交通规划研究[D].西安建筑科技大学,城市规划与设计,2004,硕士.
[35]何婷婷.基于纳米复合材料的电化学生物传感器的研究[D].安徽理工大学,2014.
[36]本报驻美国记者毛黎　本报驻俄罗斯记者张浩本报驻英国记者何屹本报驻德国记者顾钢本报驻法国记者李钊本报驻加拿大记者杜华斌本报驻日本记者葛进本报驻以色列记者郑晓春本报驻巴西记者张新生本报驻南非记者李学华本报驻乌克兰记者程刚.2009年世界科技发展回顾[N].科技日报,2010-01-08002.
[37]朱瑜.地方政府法治建设中的制度创新研究[D].安徽大学,宪法学与行政法学,2014,硕士.
[38]张波.抗剪法和原位单剪法测定混凝土抗压强度的研究[D].兰州理工大学,建筑与土木工程,2014,硕士.
[39]姜梅红.社会资本视角下的农村减贫策略研究[D].华中师范大学,社会保障,2012,硕士.
[40]曹书涛.数据挖掘技术在税收征管决策中的应用[D].安徽大学,2004.
[41]党静.蛋白磷酸酯酶2A的活性下调对戊四氮点燃模型大鼠痫性发作及海马苔藓纤维出芽的促进作用[D].中南大学,临床医学,2013,博士.
[42]冀美兴.引信设计仿真系统的数据管理及数据库的研究[D].清华大学,材料加工工程,1999,硕士.
[43]何季玲.瑶族服饰研究综述[J].南宁职业技术学院学报,2014,03:20-23.
[44]唐卫宁,耿国华.电子商务中基于CORBA的Web数据挖掘研究[J].计算机应用研究,2002,07:121-123.
[45]赵建东.基于隐马尔科夫模型的蒙古语语音合成技术研究[D].内蒙古大学,计算机科学与技术,2014,硕士.
[46]刘永涛.基于DSP的大客车纵向行驶安全域辨识技术研究[D].长安大学,车辆工程,2013,硕士.
[47]徐秋菊.女性的悲歌—林黛玉和克拉丽莎的文化差异分析[D].武汉理工大学,英语语言文学,2012,硕士.
[48]颜善银.可溶性共聚聚酰亚胺及含吡啶环聚酰亚胺的合成与性能研究[D].湖北大学,材料学,2011,硕士.
[49]贾磊,裴仁清.多约束下的频繁项集挖掘[J].计算机工程与应用,2003,31:184-185+197.
[50]屈燕琴.基于深度图像的手势识别与灵巧手交互[D].上海大学,检测技术与自动化装置,2014,硕士.