12擋變速器鋁合金后蓋分析試驗與改進

韋博，劉偉鋒

?

12擋變速器鋁合金后蓋分析試驗與改進

韋博，劉偉鋒

（陜西法士特集團公司汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710119）

文章使用有限元分析方法結(jié)合試驗方法，分別針對鑄造成品率低和強度不足，從數(shù)據(jù)統(tǒng)計、原因分析、方案制定、試驗設(shè)計、強度計算、結(jié)構(gòu)改進到最終驗證，建立了一套完整的分析流程，對12擋鋁合金后蓋進行兩次分析改進。最終顯著提高了成品率和結(jié)構(gòu)強度，有效縮短了設(shè)計改進和試驗周期，提高了設(shè)計效率，降低了開發(fā)成本。

后蓋；有限元；改進；壓鑄

1 引言

后蓋殼體開裂的主要影響因素除毛坯鑄造缺陷和輸入扭矩的大小外，還與整箱的懸置方式、受到的振動載荷、傳動軸不平衡及主軸軸承的配合等多方面因素相關(guān)。

本文首先針對工藝部門反饋的12擋鋁合金后蓋（如圖1所示）存在的鑄造缺陷多、成品率低、鑄造困難等問題，結(jié)合有限元分析方法，在保證強度的條件下，對后蓋作了結(jié)構(gòu)改進和優(yōu)化，有效解決了鑄造工藝中存在的問題。

進一步，隨著整車大馬力的趨勢，針對后蓋主軸軸承孔周圍容易開裂問題對此后蓋進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，在不降低鑄造成品率的基礎(chǔ)上提高了強度。

圖1 12擋鋁合金后蓋

2 原后蓋結(jié)構(gòu)

2.1 鑄造問題反饋

2016.6鑄造工藝部門反饋，JSD220/180-1707015-Y后蓋殼體內(nèi)部縮孔，外部漏氣及熱裂紋，產(chǎn)品裝配漏氣。2016年JSD220-Y后蓋125000件，JSD180-Y后蓋65000件，通過評審、讓步接收后大裂紋比例導(dǎo)致的報廢10%；嚴重縮陷導(dǎo)致的報廢15%。除過同時有大裂紋和嚴重縮陷的，總體報廢比例約20%，即鑄造成品率80%。主要故障部位如圖2所示。

圖2 壓鑄缺陷部位

2.2 壓鑄缺陷原因分析

壓鑄件應(yīng)盡量保證壁厚均勻[3]，如圖3所示，此后蓋主軸軸承孔外圍的螺栓孔和油孔之間壁厚太厚，達到17mm，是基本壁厚6mm的近3倍，易產(chǎn)生氣孔、縮孔，導(dǎo)致漏氣。

圖3 漏氣部位剖截面

如圖4所示，兩個螺栓孔凸臺底部之間距離3mm，兩凸臺底面壁厚薄，先凝固，凸臺高度高，材料后凝固,后凝固時需要其他部位補縮，對夾縫之間產(chǎn)生了一個拉應(yīng)力，表面易產(chǎn)生熱裂紋。零件圖由于無拔模斜度，實際毛坯有拔模斜度，兩個凸臺底部距離更小。

圖4 后蓋毛坯裂紋位置

3 針對鑄造缺陷的結(jié)構(gòu)改進

圖5 針對鑄造缺陷的結(jié)構(gòu)改進

圖6 針對鑄造缺陷的主要改進點

針對鑄造缺陷進行的結(jié)構(gòu)改進如圖5所示，具體改進點如圖6所示。

如圖6所示，主要改進點如下：

（1）A部位移動筋的位置，圓角切平，盡量增大空間；

（2）B部位隨型設(shè)計，壁厚由23mm減小到11mm；

（3）取消C部位基本不使用的貫通軸取力器預(yù)留結(jié)構(gòu)，提高鑄造質(zhì)量的同時還能減重。

改進后鑄造成品率97%以上。

4 售后故障分析

2017年對后蓋開裂的實際故障進行多次統(tǒng)計，經(jīng)過售后數(shù)據(jù)篩選和多次舊件查看，證明12擋鋁合金后蓋的主要故障形式為主軸軸承孔外圍一圈開裂，嚴重的甚至主軸凸臺掉落，如圖7所示。

圖7 12擋鋁合金后蓋售后主要故障形式

按照具體開裂部位，對小循環(huán)后蓋進行分類，如圖8所示，小循環(huán)2017年某月開裂部位占比如圖9所示。

圖8 開裂部位示意

圖9 2017年某月小循環(huán)開裂部位統(tǒng)計

由圖8、圖9可知，主軸軸承孔凸臺外圍一圈的b、c、e占所有開裂部位的69%以上，因此后續(xù)開展的試驗及改進工作主要集中在主軸軸承孔凸臺外圍一圈。

5 整車試驗

制定了整車試驗方案，基于以下目的：

（1）考察不同特征路面及實車道路條件下后蓋加速度值及應(yīng)變值；

（2）考察傳動軸不平衡量對后蓋的影響；

（3）將試驗數(shù)據(jù)作為有限元分析的輸入條件，進行強度分析，指導(dǎo)后蓋結(jié)構(gòu)改進。

圖10 整車試驗樣車及傳感器位置

部分整車試驗照片如圖11所示，試驗結(jié)果如表1所示。

圖11 部分整車試驗照片

表1 整車試驗結(jié)果總結(jié)

試驗樣車及傳感器位置如圖10所示，整車滿載40t，后蓋主軸軸承孔凸臺上部筋結(jié)合處各貼一個應(yīng)變片，斜面底部貼一個應(yīng)變花，凸臺斜向上筋側(cè)面貼一個應(yīng)變片，兩個加速度傳感器分別位于主軸后軸承蓋上方和后蓋上方。

根據(jù)表1結(jié)果，確定加載條件，作為有限元分析的輸入。

6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進及有限元分析

此次改進共出了5種方案，本文篩選出兩種方案（方案1、方案2）作為結(jié)果展示，并對比鑄鐵后蓋。

按照圖8所示開裂位置c對應(yīng)工況，分析結(jié)果如圖12所示。

圖12 開裂位置c對應(yīng)工況應(yīng)力結(jié)果

按照圖8所示開裂位置e對應(yīng)工況，分析結(jié)果如圖13所示。

圖13 開裂位置e對應(yīng)工況應(yīng)力結(jié)果

按照圖8所示開裂位置b對應(yīng)工況，分析結(jié)果如圖14所示。

圖14 開裂位置b對應(yīng)工況應(yīng)力結(jié)果

具體計算結(jié)果總結(jié)如表2所示。

表2 有限元計算結(jié)果總結(jié)（單位：MPa）

由表2可知，方案1比方案2效果好，工況1的應(yīng)力已經(jīng)小于鑄鐵后蓋，工況2和工況5也和鑄鐵后蓋接近。改進效果良好。

7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進方案確定

依據(jù)有限元分析結(jié)果，并和壓鑄工藝多次溝通確認之后，確定最終的改進方案如圖15所示，紅色筋為加強部位。

圖15 結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進最終方案

8 強度試驗

圖16 后蓋強度試驗

新結(jié)構(gòu)后蓋開模后，為進一步驗證改進效果，對改前改后后蓋進行了強度試驗，法蘭盤切割平面后用千斤頂加載，向上加載變速器正向安裝，向下加載變速器倒置180度安裝。

試驗結(jié)果與有限元分析結(jié)果吻合，改進有效。

9 結(jié)論

本文對12擋變速箱鋁合金后蓋進行了兩次改進，第一次解決壓鑄成品率的問題，經(jīng)過結(jié)構(gòu)改進后，鑄造成品率從80%提高到97%以上。第二次解決主軸軸承凸臺部位強度不足問題，通過整車試驗確定了有限元分析的輸入條件，最終改進結(jié)構(gòu)在不影響鑄造質(zhì)量的前提下，強度提高40%以上，在新毛坯試制成功后進一步進行了強度試驗，驗證了有限元分析的有效性。

本分析利用有限元分析結(jié)合試驗驗證的方法指導(dǎo)后蓋結(jié)構(gòu)改進，大大縮短了后蓋改進周期，降低了設(shè)計和試驗成本。顯著提高了后蓋成品率和結(jié)構(gòu)強度，提高了工作效率并降低了生產(chǎn)成本。

本分析提供的變速器總成中殼體問題的分析及解決的流程方法，對變速器的殼體類零件及其他類零件的設(shè)計改進具有重要的指導(dǎo)意義。

[1] 王望予.汽車設(shè)計[M].機械工業(yè)出版社,2004.

[2] 石亦平,周玉蓉.ＡＢＡＱＵＳ有限元分析實例詳解[M].機械工業(yè)出版社,2006.

[3] 傳海軍.壓鑄基礎(chǔ)知識.培訓(xùn)資料,2015.11.9.

Analysis and improvement of aluminum alloy back cover for 12-speed transmission

Wei Bo, Liu Weifeng

( Shaanxi Fast Auto Drive Engineering Institute, Shaanxi Xi'an 710119 )

This paper uses a finite element analysis method combined with a test method to establish a complete set of low and low casting yields, from data statistics, cause analysis, program development, test design, strength calculation, structural improvement to final verification. Analysis process, two analysis and improvement of the 12-seat aluminum alloy back cover. In the end, the yield and structural strength are significantly improved, the design improvement and test cycle are effectively shortened, the design efficiency is improved, and the development cost is reduced.

back cover; finite element; improvement; die casting

B

1671-7988(2018)19-67-04

U466

B

1671-7988(2018)18-67-04

CLC NO.: U466

韋博，男，1983年生，工程師，主要從事變速器設(shè)計、應(yīng)用研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.024