一種變速箱路試開裂改進方案

王 波，倪晉挺，丁 芳

(安徽機電職業(yè)技術(shù)學院 汽車工程系， 安徽 蕪湖 241002)

變速箱作為車輛動力輸出的重要部件，在車輛的運輸過程中受力狀況比較復雜[1]。若變速箱殼體關(guān)鍵位置的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，會導致局部結(jié)構(gòu)受力過大，在拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)力矩等載荷的作用下發(fā)生斷裂或撕裂。若螺栓安裝位置設(shè)計不合理，會使變速箱安裝配合螺栓受力不均勻，導致螺栓拉脫現(xiàn)象的發(fā)生[2-3]。

本文以某款變速箱為例進行研究。該款變速箱在四萬五綜合路試及三萬強化路試過程中均發(fā)生開裂，開裂里程分別為17 800 km及9 756 km，開裂均位于后懸置與變速箱安裝配合的同一螺栓孔位置附近，開裂圖片如圖1、2所示。

圖1 螺栓安裝孔及端面位置

1 變速箱分析模型建立

1.1 變速箱有限元模型

由于變速箱殼體較大，為了便于計算，截取變速箱殼體(截取一部分)、后懸置支架、后懸置支架副車架側(cè)的連接支架等進行建模，局部區(qū)域要求細化，體現(xiàn)特征細節(jié)。模型中有襯套，襯套的模擬通過Abaqus軟件的connector behavior卡片，使用一個平移連接屬性和一個旋轉(zhuǎn)連接屬性的組合，即由CARTESIAN、CARDAN建立。建好后模型如圖3、4所示。

圖3 變速箱與懸置配合有限元模型

圖4 變速箱殼體有限元模型

1.2 有限元模型材料參數(shù)

變速箱與懸置配合有限元模型的各零件材料參數(shù)詳見表1。

表1 有限元模型材料參數(shù)

1.3 分析工況及邊界條件

對于后懸置采用擺桿形式的3點懸置結(jié)構(gòu)，變速箱殼體承受的最大載荷主要為1擋全油門猛啟動和倒車工況產(chǎn)生的載荷，分析載荷可通過計算懸置襯套點的受力獲得。

邊界條件：約束變速箱截取部分端面節(jié)點的1～6自由度；加載點為后懸置副車架側(cè)襯套中心點。

由于后懸置和變速箱之間通過螺栓配合連接，不同型號螺栓的預緊力矩存在差異，因此在模擬過程中，需要在分析模型中考慮變速箱殼體與懸置支架接觸面之間的摩擦力及螺栓的預緊力[4]。螺栓預緊力的大小可通過經(jīng)驗公式(1)計算或查相關(guān)手冊得到[5-6]。本文采用的螺栓預緊力為20 000 N。

T=K·F0·d

(1)

式中：K為擰緊力矩系數(shù)，通常取0.284；F0為預緊力；d為螺紋公稱直徑。

1.4 分析結(jié)果

通過Abaqus軟件進行計算，得到變速箱殼體在1擋全油門猛啟動工況沖擊載荷作用下的應力云圖，如圖5所示。

圖5 變速箱殼體應力云圖

根據(jù)應力分析結(jié)果可知：開裂螺栓孔應力趨勢與路試開裂位置趨勢吻合，開裂位置存在明顯的應力集中。

2 變速箱結(jié)構(gòu)改進

2.1 安裝位置優(yōu)化

從圖3結(jié)構(gòu)上看，動力總成的翻轉(zhuǎn)力矩或垂向顛簸載荷最終都轉(zhuǎn)化成繞后懸置擺桿側(cè)的X向載荷，因此，從受力角度而言，變速箱上、中、下3個安裝孔中的下側(cè)安裝點1(開裂安裝點)首先受力，并且變速箱與懸置安裝配合的3個安裝點受力不均勻；從力矩角度來說，后懸置懸臂的長度相對于安裝點1位置，存在力矩的作用。因此，對安裝點1所承受的載荷有放大作用。

根據(jù)上述分析，更改變速箱與后懸置安裝配合的螺栓位置，取消圖4所示的原結(jié)構(gòu)螺栓孔2和螺栓孔3，在開裂位置A(安裝點1)的下側(cè)方增加螺栓安裝孔B和螺栓安裝孔C。更改后的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

為了驗證優(yōu)化安裝位置的有效性，首先對比位置改變前后螺栓的受力情況。更改前后開裂位置處螺栓的載荷對比結(jié)果如圖7所示。

圖6 更改后變速箱殼體有限元模型

從對比結(jié)果可以看出：優(yōu)化位置后開裂位置的螺栓側(cè)向力值降低84%，螺栓力矩值降低71%。

同時，再次計算變速箱殼體在1擋全油門猛啟動工況沖擊載荷作用下的應力，如圖8所示。優(yōu)化后，原開裂位置A處不存在應力集中，最大應力位于螺栓孔B的安裝位置處，最大應力降低10%以上，但最大應力仍超過變速箱材料的強度極限，因此需要對局部結(jié)構(gòu)進行相關(guān)優(yōu)化。

2.2 安裝結(jié)構(gòu)局部優(yōu)化

從圖8應力集中位置來看，安裝點凸臺與變速箱殼體的肋筋存在結(jié)構(gòu)突變，過渡不夠圓滑，因此需要對安裝點局部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，優(yōu)化前后的變速箱局部結(jié)構(gòu)對比如圖9所示。優(yōu)化后的應力云圖如圖10所示。

圖8 優(yōu)化后變速箱殼體應力云圖圖9 優(yōu)化前后變速箱局部結(jié)構(gòu)對比圖10 螺栓孔B位置應力云圖

通過對變速箱局部結(jié)構(gòu)的過渡圓角進行優(yōu)化，最終整改方案的最大應力由301 MPa降至145 MPa，降低51%，效果非常明顯。

此外，優(yōu)化更改后的最終變速箱結(jié)構(gòu)在后續(xù)的路試試驗中未再次發(fā)生過開裂問題。

3 結(jié)論

通過CAE分析及路試驗證的對比結(jié)果可以看出：CAE分析結(jié)果與道路可靠性試驗中出現(xiàn)的問題完全吻合，1擋全油門猛啟動和倒車工況產(chǎn)生的載荷是導致變速箱發(fā)生開裂問題的主要載荷工況，并且變速箱與懸置的安裝螺栓位置對變速箱的受力影響較大。

[1] 董曉露.變速箱后殼體開裂分析及優(yōu)化設(shè)計[J].機械工程與自動化,2011(5):180-182.

[2] 莫明珍,譚瑩,曹標，等.汽車變速箱殼體早期斷裂失效分析[J].金屬熱處理,2011(9):102-105.

[3] 蘇新濤,陳澤著,程小建.某款輕型工程車車身地板結(jié)構(gòu)開裂CAE分析及改進設(shè)計[C]//第八屆中國CAE工程分析技術(shù)年會論文集.北京：中國力學學會，2012:134-140.

[4] 韋學麗,韓冬雪.微型車地板使用CAE分析開裂的要點探討[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2013(3):20-22.

[5] 王明亞,張錦,隨磊，等.某輕卡變速箱殼體開裂原因CAE分析[J].機械管理開發(fā),2015(9):49-52.

[6] 張敏.某變速箱殼體開裂CAE優(yōu)化分析[C]//第八屆中國CAE工程分析技術(shù)年會論文集.北京：中國力學學會，2012:102-106.