汽車變速器殼體設(shè)計(jì)流程探討

楊軍

(廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西玉林 537005)

0 引言

變速器殼體是汽車核心零部件之一，殼體設(shè)計(jì)水平直接影響變速器的性能和可靠性。目前，變速器殼體設(shè)計(jì)主要關(guān)注以下幾個(gè)方面：(1)變速器殼體用于安裝、支承、容納變速器傳動(dòng)部件、操縱機(jī)構(gòu)及其他附件，變速器殼體在工作中承受復(fù)雜的載荷，殼體強(qiáng)度和剛度對保證軸齒正常運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。(2)殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大，是變速器中質(zhì)量最大的零件，對輕量化設(shè)計(jì)提出很高的要求。(3)變速器工作中產(chǎn)生的噪聲、振動(dòng)和熱量絕大部分由殼體吸收和傳導(dǎo)，要考慮殼體在減振降噪方面的作用。(4)新能源變速器轉(zhuǎn)速較高，飛濺潤滑在很多情況下不能滿足要求，通常選擇強(qiáng)制潤滑，殼體內(nèi)部需要設(shè)計(jì)潤滑油道。(5)新能源變速器集成電機(jī)、控制器等零部件，如何在滿足傳統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的前提下，殼體設(shè)計(jì)達(dá)到緊湊、體積小、集成度高，對設(shè)計(jì)人員來說是一大挑戰(zhàn)。

規(guī)范、合理的設(shè)計(jì)思路和流程可幫助設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)變速器殼體時(shí)做出正確選擇，保證殼體設(shè)計(jì)水平。本文作者介紹了一種從頂層到底層的變速器殼體設(shè)計(jì)思路，對變速器殼體的設(shè)計(jì)流程、方法和要求進(jìn)行了詳細(xì)的探討。

1 設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)原則為：

(1)變速器殼體設(shè)計(jì)應(yīng)滿足功能要求；

(2)滿足強(qiáng)度和剛度要求是變速器殼體設(shè)計(jì)的重要原則；

(3)輕量化設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制殼體體積和質(zhì)量；

(4)變速器殼體設(shè)計(jì)要考慮制造方法和工藝水平；

(5)變速器殼體設(shè)計(jì)要考慮裝配的可行性，此外，還應(yīng)方便維護(hù)、修理和更換零件；

(6)變速器殼體設(shè)計(jì)要嚴(yán)格控制相關(guān)尺寸以及公差精度，確保相配合的零件之間的精確的相對位置；

(7)對于內(nèi)部油路、氣路有要求的殼體，還應(yīng)考慮殼體密封性。

2 設(shè)計(jì)步驟

主要設(shè)計(jì)步驟為：

(1)對變速器外部設(shè)計(jì)條件和內(nèi)部設(shè)計(jì)條件進(jìn)行詳細(xì)準(zhǔn)確理解，然后設(shè)計(jì)頂層骨架，基于頂層骨架進(jìn)行殼體三維建模，包括模具建模、毛坯建模、加工成品建模；

(2)殼體建模完成以后，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度計(jì)算和振動(dòng)模態(tài)分析計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)或?qū)Χ鄠€(gè)方案進(jìn)行對比；

(3)繼續(xù)細(xì)化模型，充分考慮制造工藝性和經(jīng)濟(jì)性，最后設(shè)計(jì)二維圖紙?zhí)峁┥a(chǎn)加工。

殼體設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 變速器殼體設(shè)計(jì)流程

3 設(shè)計(jì)過程

變速器殼體設(shè)計(jì)前需要確定一些外部和內(nèi)部的邊界條件，如安裝空間、各結(jié)合面尺寸規(guī)格、各安裝接口、軸齒系統(tǒng)布置、操縱系統(tǒng)布置、潤滑與密封系統(tǒng)布置等。以某新能源汽車變速器為例，主要的設(shè)計(jì)輸入條件如表1所示。

表1 變速器殼體設(shè)計(jì)輸入條件

3.1 殼體合套形式和材料

(1)殼體合套形式

常用的殼體合套形式有前后合套和上下合套兩種。根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)的布置結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇，需要考慮裝配工藝方案。

(2)殼體材料

設(shè)計(jì)初期可以初步確定殼體材料，以便開展初步的整機(jī)質(zhì)量評估、供應(yīng)商對接、成本分析等工作。

變速器殼體材料常用的材料是鑄鐵和鑄鋁。考慮輕量化要求，目前常選用鑄鋁材料[1]。鑄鋁殼體熱處理工藝通常采用固溶處理和完全人工時(shí)效T6。其中人工時(shí)效的目的是在不降低力學(xué)性能的前提下，使材料內(nèi)應(yīng)力和機(jī)加工切削應(yīng)力得到消除或穩(wěn)定，以減少長期使用中的變形，保證幾何精度。

3.2 頂層骨架設(shè)計(jì)

搭建變速器頂層骨架。在三維建模軟件中將軸齒系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和輸入輸出接口等內(nèi)外部條件的關(guān)鍵信息、關(guān)鍵位置建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系、基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸和基準(zhǔn)草圖，作為殼體設(shè)計(jì)建模的骨架。骨架與殼體三維模型相互關(guān)聯(lián)，更改骨架即可調(diào)整殼體三維模型。在設(shè)計(jì)過程中，內(nèi)外部設(shè)計(jì)條件、頂層骨架、變速器殼體模型需要?jiǎng)討B(tài)地進(jìn)行相互調(diào)整和匹配，頂層骨架即為設(shè)計(jì)條件與殼體設(shè)計(jì)之間的相互聯(lián)系的橋梁，這就是基于頂層到底層的設(shè)計(jì)方法[2]。

變速器頂層骨架建立如圖2所示。

圖2 殼體頂層骨架設(shè)計(jì)

3.3 主體特征構(gòu)建

導(dǎo)入骨架作為殼體設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，繪制殼體主體外形輪廓，添加主要結(jié)構(gòu)特征，形成主要的結(jié)構(gòu)實(shí)體。

殼體形狀比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該先抽象出其主要的特征，然后逐步增加其他特征。殼體形腔一般都呈不規(guī)則曲面變化，用簡單的拉伸剪切命令很難實(shí)現(xiàn)，可以在骨架中建立輪廓曲線作為腔體截面，起始和終止的截面為殼體兩端面，確定掃描方向和軌跡，使用掃描實(shí)現(xiàn)外輪廓建模，如圖3所示。

圖3 殼體主體特征建模

3.4 重要特征構(gòu)建

繪制殼體上的重要特征，如前結(jié)合面、后結(jié)合面、電機(jī)安裝面等一些形體特征。在繪制這些特征時(shí)要考慮拔模方向并做出拔模角，并將這些實(shí)體與主體特征合并，如圖4所示。

圖4 構(gòu)建重要特征

3.5 內(nèi)腔建模成殼

設(shè)計(jì)殼體內(nèi)腔模型。首先，殼體內(nèi)壁與運(yùn)動(dòng)部件，如齒輪、齒套、撥叉、叉軸等零件之間的間隙要滿足要求；另外，殼體內(nèi)壁與靜止部件之間的間隙、殼體底部儲油高度也需要確定。其次，殼體壁厚在保證殼體有足夠強(qiáng)度和剛度的前提下，盡量減小壁厚并保持截面的均勻一致，盡量避免截面壁厚突變，截面厚薄變化大的位置，易形成縮孔或裂紋等鑄造缺陷。

內(nèi)腔模型建立完成后，將主體模型與內(nèi)腔模型相減，形成初步的殼體模型，如圖5所示。

圖5 形成殼體概念模型

3.6 細(xì)部特征構(gòu)建

設(shè)計(jì)細(xì)部特征，如前后端結(jié)合面、其他零部件安裝結(jié)合面、取力器口、懸置與支架凸臺、螺栓孔柱、Logo等，如圖6所示。

圖6 設(shè)計(jì)細(xì)部特征

3.6.1 殼體結(jié)合面設(shè)計(jì)及螺栓孔布置

(1)殼體一般由螺栓聯(lián)接固定，設(shè)計(jì)聯(lián)接結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡可能提高聯(lián)接剛度，確保變速器工作過程中結(jié)合面緊密結(jié)合。一般情況下，增加聯(lián)接螺栓數(shù)量比增加螺栓直徑對于提高聯(lián)接剛度的效果要好；螺栓間距需要根據(jù)箱體結(jié)構(gòu)布置、受力方向、螺栓規(guī)格等確定。兩螺栓的連線稱為壓力線，壓力線應(yīng)盡量落在結(jié)合面的中心線上[3]，如圖7所示。

圖7 螺栓布置設(shè)計(jì)

(2)適當(dāng)加大結(jié)合面的壁厚也可以提高聯(lián)接剛度。

(3)為了保證密封性，結(jié)合面應(yīng)保證一定寬度。結(jié)合面要保證粗糙度、平面度和平行度。

(4)必須考慮螺栓緊固工具的安裝空間，比如扳手、套筒等所需的安裝空間。

3.6.2 加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)

加強(qiáng)筋的作用主要是增加殼體強(qiáng)度和剛度。此外，合理的加強(qiáng)筋的布置還有利于箱體散熱。

加強(qiáng)筋的厚度選取應(yīng)適中，筋太薄則強(qiáng)度剛度不足，筋太厚則增加質(zhì)量，且易導(dǎo)致鑄造缺陷。加強(qiáng)筋厚度一般不低于壁厚[4]。

軸承孔處受力較大，需要保證足夠的剛度，以保證傳動(dòng)系統(tǒng)配合精度，因此軸承孔周圍通常布置較多的加強(qiáng)筋。螺栓孔凸臺周圍、結(jié)合安裝面周圍通常也布置加強(qiáng)筋。

加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)除借助經(jīng)驗(yàn)和參考對標(biāo)機(jī)型外，還可以借助CAE輔助設(shè)計(jì)。

3.6.3 油道設(shè)計(jì)

新能源變速器齒輪由于轉(zhuǎn)速高，推薦采用主動(dòng)強(qiáng)制潤滑方式，通過殼體油道和油管把潤滑油輸送到需要潤滑的部位。殼體油道盡可能設(shè)計(jì)成直線形或流線形，盡可能避免潤滑油流向的突然改變，以減少流體阻力。潤滑油道或油槽可以在殼體模具上鑄造出來，但有時(shí)會(huì)導(dǎo)致鑄造缺陷；油道也可以加工出來，但增加加工成本。設(shè)計(jì)時(shí)需要折中考慮，選取最佳方案。

3.6.4 懸置點(diǎn)設(shè)計(jì)

懸置點(diǎn)的位置選擇和連接螺栓布置要考慮整個(gè)動(dòng)力總成模態(tài)分析情況，另外還要考慮系列車型通用化問題。螺栓凸臺要使用三角形網(wǎng)狀筋加強(qiáng)，以降低應(yīng)力集中帶來的風(fēng)險(xiǎn)，如圖8所示。

圖8 懸置點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.7 模型完善

檢查殼體是否構(gòu)建完整，是否滿足內(nèi)外部設(shè)計(jì)條件要求。最后用不同顏色為殼體標(biāo)示加工面，殼體三維建模完成，如圖9所示。

圖9 加工面標(biāo)示

3.8 分析計(jì)算

(1)強(qiáng)度計(jì)算。評價(jià)殼體強(qiáng)度是否符合設(shè)計(jì)要求；

(2)剛度計(jì)算。評價(jià)殼體變形量是否符合設(shè)計(jì)要求；

(3)結(jié)合面接觸滑移計(jì)算。評價(jià)結(jié)合面密封性；

(4)疲勞強(qiáng)度計(jì)算。評價(jià)殼體在交變載荷下的疲勞強(qiáng)度是否符合設(shè)計(jì)要求；

(5)模態(tài)計(jì)算。評價(jià)殼體NVH特性。

3.9 繪制二維圖

根據(jù)設(shè)計(jì)手冊、工程規(guī)范、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等資料，繪制殼體二維圖，主要確定定位基準(zhǔn)、尺寸和配合公差、形位公差、各加工面粗糙度、標(biāo)識、清潔度、包裝和檢測要求等要求。二維圖完成后提供生產(chǎn)單位進(jìn)行加工制造。

4 結(jié)束語

文中介紹了變速器殼體設(shè)計(jì)流程，從頂層骨架搭建，到底層細(xì)節(jié)特征建立，一整套規(guī)范化的設(shè)計(jì)流程不僅可以保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平，也能夠縮短開發(fā)周期，減少設(shè)計(jì)人員工作量，提高設(shè)計(jì)效率為變速器殼體設(shè)計(jì)提供參考。