某拖拉机变速箱壳体断裂强度有限元分析_徐臻臻

不平路面冲击，此时变速箱壳体受到的垂直动载荷最
3 结果分析与讨论
大，前桥所受的纵向力 Fｘ 和侧向力 Fｙ 可忽略不计。地面
对前轮的垂直反力 Fｚ 为
Fｚ＝KＤG１
（１）
式中，KＤ 表示动载荷系数，取 KＤ＝２￣３，这里 KＤ＝２．５；
G１ 为静止时前轮的垂直载荷（Ｎ），在本机机型中 G１＝１．
５６×１０４Ｎ，故 Fｚ＝３．９×１０４Ｎ。后桥一轮约束 ｘ，ｙ，ｚ 方向
5 结论
图 8 改进前后变速箱壳体的几何模型
图 9 改进前后最大主应力对比（断裂部分） 对改进后的模型三维有限元分析后，得到新的变速 箱壳体应力分布云图，如图 ９ 所示。改进后模型壳体断 裂破坏部位的最大主应力值为 １５６．５ ＭＰａ，比原结构 降低 ５６．７ ＭＰａ，改进效果为 ２６．６％，安全系数 １．６０，改
2 载荷工况与约束的加载
拖拉机是用于牵引和驱动各种配套机具，完成农业 田间作业、各种土石方工程作业、运输作业和固定作业 等的动力机械［３］，作业工况恶劣。对不平路面工况、前轮 碰障碍物工况、侧滑工况和前桥抬起工况等 ４ 种典型工
2.3 侧滑工况 拖拉机侧滑时，纵向力 Fｘ 可忽略不计。这时的侧向
力 Fｙ 最大，侧向附着系数 φｙ＝１，因此 Fｙ＝φｙG１，拖拉机前 桥受到地面的垂直反力 Fｚ＝G１。约束后桥车轮，在前桥施 加侧向力 Fｙ 和垂直反力 Fｚ。 2.4 前桥抬起工况
针对某型拖拉机变速箱壳体的断裂现象，通过 Ｈｙ－ ｐｅｒｍｅｓｈ 软件建立了变速箱壳体的有限元模型，利用 Ｎａｓｔｒａｎ 进行了静力学分析，对变速箱壳体的薄弱环节 进行结构改善来满足使用要求。这不仅能有效解决变速 箱壳体的断裂现象，同时也为变速箱壳体的改进设计提 供了理论依据，使产品设计师可以在后续设计中加以应 用。
不平路面工况，前轮碰障碍物工况和侧滑工况的变
速箱壳体底部应力比上部应力大，上部为压应力，底部
为拉应力。由于侧滑的作用，侧滑工况的左侧底部应力
明显大于右侧底部应力。在前桥抬起时，将变速箱壳体
的计算结果与实物断裂位置对比，如图 ７ 所示，变速箱
图 3 工况一的边界条件示意
壳体的薄弱点位置是对的，危险截面与断裂部位一致， 在承受非正常作用力时将首先被破坏。
DOI:10.16167/j.cnki.1000-9868.2013.28.005
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某拖拉机变速箱壳体 断裂强度有限元分析
徐臻臻 赵玉垒 （福田雷沃国际重工股份有限公司）
［摘要］针对某型拖拉机变速箱壳体使用过程中的断裂现象，在典型工况下，利用 Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ 和 Ｎａｓｔｒａｎ 软 件对变速箱壳体进行了有限元静力分析，得到变速箱壳体的应力水平和分布特点。结果表明，变速箱壳体强度的 薄弱部位和壳体断裂位置相同，针对变速箱壳体的强度薄弱部位，提出结构的改进建议，为变速箱壳体的进一步 优化设计提供理论指导。
图 7Leabharlann Baidu前桥抬起的最大主应力云图与实物断裂位置对比
KＤ＝２，在该拖拉机机型中单个前轮承载力 Q＝G１／２＝７８００Ｎ， 4 改进方案与结果分析
图 4 工况二的边界条件示意
变速箱壳体结构比较复杂，根据各工况的计算结果 和市场上出现的断裂现象，在不改变整体结构的前提 下，进行改进以提高壳 体 的 强度 ，具体改进方案如图 ８ 所示，壳体内壁面两侧各加一个厚度 D＝９ ｍｍ 加强筋， 加强筋有 R＝３ ｍｍ 的圆角，壳体上表面加宽，使 １ 处和
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甘肃农田残膜捡拾机具 研究现状及存在问题
赵海志 赵建托 （甘肃省农业机械鉴定站）
［ 摘 要 ］针对甘肃省残膜捡拾机具研究的现状，通过分析残膜捡拾机具技术特点，论述了目前残膜捡拾中存 在的主要问题，根据残膜捡拾机具的实际发展状况，提出研发联合作业机具的建议。
变速箱壳体断裂部分靠近后桥壳体，因此需要考虑 后桥壳体对变速箱强度的影响，后桥壳体与变速箱壳 体用多个螺栓联接。壳体的表面特征多而复杂，根据壳 体的实际结构，利用三维软件 ＵＧ 建立壳 体 实 体 模 型 ， 保证分析模型和实体模型的一致性，提高分析的准 确性。以通用格式 Ｐａｒａｓｏｌｉｄ 导入Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ 中进行有 限元网格划分，变速箱壳体和后桥壳体均划分为四面体 单元，网格大小 ５ ｍｍ，形成有限元模型，如图 ２ 所示，共
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［关 键 词 ］残膜捡拾机；联合作业机；综述；地膜栽培
1 农田地膜使用状况
随着甘肃省农用塑料薄膜覆盖栽培技术的广泛推 广应用，特别是全膜双垄沟播栽培技术与全膜覆土穴播 技术的推广，对粮食增产、保障粮食安全、推动农村经济 的持续发展起到了积极的作用。但是，由于农田地膜使
用量的增大，随之而来的环境污染问题也越来越严重。 大量废弃农膜随意闲置，影响农村环境卫生，残留在土 壤中造成土壤品质下降。
有 节 点 ２０７ ９３１ 个，单元 ７６１ ３２０ 个。壳体的材料为 ＨＴ２５０，其弹性模量为 １．２６×１０５ ＭＰａ，泊松比为 ０．３， 密度为 ７ ８６０ ｋｇ／ｍ３。
故 F１＝KＤQ＝１５ ６００ Ｎ，考虑车轮受到来自地面 １．５ 倍的 冲击，计算得到该工况下的载荷 F２＝２３ ４００ Ｎ。后桥两轮 的约束处理同不平路面工况。
［关 键 词 ］变速箱壳体；断裂；Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ；强度分析
0 引言
变速箱壳体是拖拉机结构中的重要组成部件，起到 支撑、保护齿轮传动机构的作用。壳体的强度不够会造 成局部出现裂纹，甚至壳体断裂，降低整个变速箱的使 用寿命［１］，直接影响整机使用性能。某型拖拉机在正常作 业中，变速箱壳体突然断裂，基本在同一位置断裂，从小 端（与后桥壳连接面）上部变速箱盖处断裂，如图 １ 所 示，断裂处未发现有明显的铸造缺陷，分析可能是由于 拖拉机作业过程中作业工况恶劣或外力作用造成壳体 裂纹、破裂。通过对返回变速箱壳体的金相、壁厚进行排 查，都符合图纸要求。
况进行模拟计算，找出变速箱壳体的断裂原因，确定壳
根据该机型使用情况的反馈，拖拉机作业工况十分
体的结构是否满足强度要求。
恶劣，在后面挂满农机具的状态下前桥抬起。前桥垂直
2.1 不平路面工况
反力为 Fｚ＝－１．５F２，纵向力 Fｘ 和侧向力 Fｙ 可忽略不计，
拖拉机在挂满农机具的情况下，在路面上行驶，遇到 约束条件处理同侧滑工况。
分析方法能对变速箱壳体进行全部、准确的指导，大大降 低试验成本，为以后变速器壳体在拖拉机产品前期设计 中提供一种方法和思路。
1 变速箱壳体有限元模型
变速箱壳体是一个完整的铸件，盖板和壳体用多个 螺栓联接，结构上有各种加强筋、轴承孔、凸台及横隔板 等，将部分与强度无关的结构局部简化，去掉不影响整体 特性的圆角和倒角，并将非关键部位的内凹陷填平等［２］。
参考文献 ［１］康 一 坡 ，霍 福 祥 ，魏 德 永 ，等 ． 变 速 箱 壳 体 强 度 有 限
元分析与试验验证 ［Ｊ］． 机械设计，２０１１，２８（１）： ２１－２４． ［２］李政．奥托汽车变速箱箱体有限元模态分析［Ｊ］．机械 传动，２００８，３２（４）：７６－７８． ［３］机械电子工业部洛阳拖拉机研究所． 拖拉机设计手 册［Ｍ］．机械工业出版社，１９９４：１－４．
2.2 前轮碰障碍物工况
前轮碰障碍物工况考虑拖拉机在崎岖不平路面行
驶时，前桥一个车轮碰障碍物悬空施加在变速箱壳体上
的扭矩，如图 ４ 所示。按单个前轮最大承载能力 Q（Ｎ）来
计算扭转力矩 M（ｎ Ｎ·ｍｍ）
Mｎ＝B１QKＤ／２＝１０００F１B１／２
（２）
式中，B１ 表示前轮轮距 （ｍｍ），KＤ 为动载荷系数，取
平移自由度和 ｙ 方向旋转自由度，一轮约束 ｘ，ｚ 方向平
根据所给的载荷工况和约束加载，应用 Ｎａｓｔｒａｎ 软
件计算得到变速箱壳体的应力水平和分布规律，各工况
的最大应力值如表 １ 所示。
表 1 各工况最大主应力（MPa）
工况 不平路面 碰障碍物 侧滑 前桥抬起
应力
１８９
１２１
１１４
２１３
移自由度和 ｙ 方向旋转自由度，如图 ３ 所示。
图 1 变速箱壳体损坏实物图 为了对断裂的原因进一步分析探讨，需要对变速箱 壳体进行有限元分析，找到断裂的原因，有针对性地增 强其薄弱区域，避免变速箱壳体的早期裂纹破裂。这种
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图 2 变速箱壳体的有限元模型
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目 前 ，甘 肃 省 农 作 物 覆 膜 种 植 面 积 达 １６０ 多 万 ｈｍ２，其中全膜双垄沟播覆膜面积约为 ６６．７ 万 ｈｍ２，地 膜覆盖节水面积约为 ６６．７ 万 ｈｍ２，马铃薯地膜覆盖面积
２ 处共面。
进后的变速箱壳体应力分布趋于分散化，不再集中于 壳体螺栓孔处，变速箱壳体的强度承受能力得到很大 改善。