HMCVT箱体轻量化措施

摘要：基于HMCVT的工作原理及主要特点，使用ANSYS工作台对HMCVT进行静态分析，探讨使HMCVT箱体轻量化的措施和方法，为减少能源消耗和改善辆的整体性能提供技术参考。

关键词：HMCVT；轻量化；ANSYS；材料

中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2019）02-0052-02

传动系统是影响车辆性能、工作效率和能效的主要因素，好的传动系统可显著改善车辆的整体性能。农业机械、工作机械等能源需求庞大，工作环境复杂，必须适应不断变化的外部载荷，对传动系统的要求较高。无级变速液压机械传动（HMCVT）结合纯液压传动和纯机械传动的优点，可提高车辆的整体性能和燃油效率，改善液压机械的综合性能。因此越来越多的车辆使用液压机械传动系统，以减少能源消耗和改善操作环境。

1 HMCVT的原理及特点

1.1 原理和结构组成

HMCVT是基于17世纪中叶提出的静压传动原理的新型变速箱，其驱动系统分为液压系统和机械系统2部分。液压系统主要由泵和电机组成；机械系统主要由机械传动部分组成。发动机输送的动力流被分成2个路径：一条路径由液压系统传输，另一条路径由机械系统传输。最后，通过总线机构将动力组合并输送到后传动部件。

HMCVT结合高液压动力传动、无级变速和高机械效率的优点，有效利用发动机动力。液压机械传动采用分流和汇流机构，因此可根据力分布和汇流的形状对液压机械传动进行分类。在加工技术和成本方面，分流机构大多是固定轴型，而汇流型主要是行星式。

1.2 性能特点

1.2.1 传输效率高 液压机械无级变速系统结合机械传动和液压传动的优点，机械传动部件传动效率高，液压传动部件传动能力高。机械式无级变速器传动功率大，传动效率高。与传统的机械传动相比，其传动功率加倍，效率约提高30%。

1.2.2 自动无级变速 液压和机械装置的结合，允许基于无级机械速度的无级变速，使车辆更安静。传动系统通过改变变量泵排量实现自动变速，提高工作效率，降低驾驶员的驾驶强度。

2 机械液压无级变速箱轻量化

2.1 轻量化设计的重要性

随着液压机械无级变速器的逐步发展和应用，轻量化结构成为汽车工业发展趋势。经过长时间的开发，车辆的能源效率有所提高，但仍只有20%～30%。车辆采用一定的轻质结构后，底盘质量相对较低，不均匀性减弱。因此，在驾驶过程中车身更加稳定，发生撞击时产生的能量易被消除，有效提高车辆的安全性。

2.2 箱体优化措施

2.2.1 控制柜优化 假设整体结构保持不变并且通过轻量化实现目标，优化方法主要是减小壁厚并局部增加加强肋。即在加强肋下方使轴承孔和肋条上的加强筋设计内表面。

2.2.2 布局优化 为实现动能传输，布局设计至关重要。扭矩相同但结构不同的轴承齿轮箱，其组件的质量变化可达25%以上。承载约300 Nm输入扭矩的齿轮箱，在液压机械无级变速箱总长度满足空间要求的条件下，可使用双轴布置获得最小质量。

2.2.3 材料优化 粉末冶金和粉末冶金成型技术适用于复杂构件的成型。随着粉末冶金技术的进一步发展，越来越多的钢件用粉末冶金材料来代替。除显著降低加工成本外，粉末冶金成型还可减轻零件质量11.5%左右。为实现轻松转移，越来越多地使用铝合金代替钢。

铝合金材料的密度为2.7 g/cm3，而碳钢材料的密度为7.85 g/cm3，等体积的铝钢可使零件质量减少到原来的1/3。考虑精度要求，非应力部件可选用非金属材料，例如尼龙。用其代替钢，质量仅为原钢质量的1/7。

2.2.4 扭矩限制技术优化 对于车辆而言，轮胎与地面之间的摩擦力是牵引力的上限。如果超出范围，轮胎会打滑并松开。工作过程中，从动轮的轴载受到限制，且轮胎与地面之间的摩擦力通常小于发动机低速时转移到轮胎的牵引力。因此，发动机低档扭矩通常不影响车辆的加速动力学和俯仰。扭矩限制技术的应用，可使车辆传动更紧凑，从而减轻变速箱的质量。

3 应用ANSYS Workbench改进箱体

用有限元工作站进行后续数据分析时，将控制柜的3D组件直接从Pro/E读入ANSYS Workbench，ANSYS Workbench软件自动检测所有接触面。确定接触区域、接触类型、联系方式等后，变速箱壳体触点全部设置为粘合触点。

后处理是ANSYS Workbench软件中最重要的部分，可显示计算结果。通过评估计算结果进一步优化数学3D模型。ANSYS Workbench的通用后处理器提供强大的后处理功能，包括频率列表、振动动画、应力变化、应变量和横截面视图。

使用ANSYS工作台对HMCVT虚拟装配的模型结构中的箱体进行静态分析，确定箱体的优化方案，在完成改进后进行检测，优化前后HMCVT箱在各个方向上的最大变形量如图1所示。

与结构改进前相比，变形量减小，位移变形总体上相对较小，并具有相当大的安全裕度。分析表明，通过减小壁厚来实现轻质结构，并通过增加轨道加固改善结构强度的改进措施是有效的。

4 结论

传动系统決定车辆的性能、工作效率和能效，因此HMCVT轻量化设计势在必行。HMCVT能够提高机械效率和能量利用率，使车辆具备良好的性能。因此今后应开展更多的相关研究，使机械设备具有更加优良的性能。

参考文献

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