變速箱殼體開裂問(wèn)題研究與對(duì)策

李樂艷，陳炎

(1.北京汽車股份有限公司株洲分公司,湖南株洲 412007；2.福田歐輝環(huán)境裝備事業(yè)部，湖南長(zhǎng)沙 410129)

變速箱殼體開裂問(wèn)題研究與對(duì)策

李樂艷1，陳炎2

(1.北京汽車股份有限公司株洲分公司,湖南株洲 412007；2.福田歐輝環(huán)境裝備事業(yè)部，湖南長(zhǎng)沙 410129)

某型變速箱殼體出現(xiàn)了開裂問(wèn)題。從模態(tài)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和材料等方面針對(duì)開裂問(wèn)題進(jìn)行研究，得出開裂的根本原因是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足和材料性能差。通過(guò)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和更換材料，解決了開裂問(wèn)題，提供了一種解決此類問(wèn)題的方法和策略。

變速箱殼體；開裂；方法與對(duì)策

0 引言

汽車機(jī)械式變速箱是汽車一個(gè)重要的系統(tǒng)總成，由于汽車特別是重型車輛工作條件惡劣，變速器載荷大、擋位多，因而也是汽車所有總成中故障出現(xiàn)頻率較高的總成之一[1]。特別是變速箱殼體，作為固定和支撐整個(gè)變速箱的骨架，它不但受到外界復(fù)雜路面工況的沖擊，還受到變速箱內(nèi)部扭矩傳遞和齒輪嚙合反作用力等復(fù)雜工況的作用。變速箱殼體的質(zhì)量和可靠性決定了變速箱的使用壽命，因此設(shè)計(jì)一款強(qiáng)度足夠、可靠性高、價(jià)格便宜實(shí)惠的變速箱殼體是人們追求的目標(biāo)。文中所研究的這款變速箱殼體在使用過(guò)程中出現(xiàn)了開裂的質(zhì)量問(wèn)題，如圖1所示。此質(zhì)量問(wèn)題嚴(yán)重影響了車輛使用壽命，帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此分析開裂的原因并找出應(yīng)對(duì)策略，不但能夠減少損失，并且對(duì)于類似的開裂問(wèn)題提供了一種解決的方法和思路，意義重大。

圖1 變速箱殼體開裂圖

1 原因分析

根據(jù)變速箱殼體開裂的形式和裂紋形狀，初步分析導(dǎo)致開裂的原因有兩種可能：(1)變速箱殼體的模態(tài)與發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)發(fā)生共振導(dǎo)致的共振破損；(2)結(jié)構(gòu)和材料強(qiáng)度不足，在扭矩和齒輪嚙合反作用力作用下發(fā)生破壞。

1.1 變速箱殼體共振分析

研究變速箱殼體是否發(fā)生共振，首先對(duì)殼體進(jìn)行有限元離散化，計(jì)算出其模態(tài)振動(dòng)頻率和振型。模態(tài)振型結(jié)果如表1所示。該變速箱所配發(fā)動(dòng)機(jī)為6缸4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，怠速為700 r/min，最高轉(zhuǎn)速為2 830 r/min。計(jì)算得到激振頻率f的范圍為35 Hz

表1 變速箱殼體模態(tài)計(jì)算結(jié)果表

1.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

當(dāng)變速箱位于一擋即起步擋位置時(shí),所受到的牽引力最大,所以選取一擋時(shí)變速箱殼體所受外力作為外載荷。變速箱在工作過(guò)程中,受力是通過(guò)軸承與殼體相接觸來(lái)傳遞的,故分析殼體的受力情況時(shí),先要分析軸承的受力情況。為了計(jì)算變速箱殼體所受的力,須先得到變速箱內(nèi)各齒輪對(duì)間的力,這些力通過(guò)齒輪和齒輪軸傳到軸承上,再由軸承傳到殼體上[2]。因此以一擋工況為結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析工況。

此變速箱殼體使用HT200材料，其材料性能如表2所示。此變速箱殼體在使用過(guò)程中時(shí)刻處于較復(fù)雜的工況下，對(duì)疲勞系數(shù)有高的要求，換擋的過(guò)程中時(shí)常受到變速?zèng)_擊的影響，對(duì)動(dòng)載系數(shù)有較高要求。因此其安全系數(shù)取3以上，許用應(yīng)力σ=σs/s=195/3≈65 MPa。

表2 HT200材料特性

對(duì)此變速箱殼體進(jìn)行有限元建模，并且加載在一擋起步時(shí)的各軸孔載荷，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，得分析結(jié)果如表3所示?？梢钥闯觯猴w輪殼和后輸出端應(yīng)力分別為13和65 MPa,低于或等于65 MPa，但是殼身和后蓋應(yīng)力分別為159和136 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于許用應(yīng)力65 MPa。其最大應(yīng)力分布處恰好與實(shí)際裂紋開裂處一致，可見結(jié)構(gòu)和材料強(qiáng)度不足是導(dǎo)致變速箱殼體開裂的根本原因。

表3 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析結(jié)果表

2 應(yīng)對(duì)策略

通過(guò)分析變速箱殼體的結(jié)構(gòu)和材料，找到開裂的根本原因，制定以下方案，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。首先是結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，具體的改進(jìn)方案如表4所示。在殼體頂部加凸筋和大斜筋，殼體上部的板厚加厚，兩側(cè)加凸筋加強(qiáng)，殼體內(nèi)部垂直過(guò)渡改為大斜角過(guò)渡。經(jīng)過(guò)此系列改進(jìn)后，變速箱殼體強(qiáng)度得到大大加強(qiáng)。

表4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)表

結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，將原來(lái)使用HT200材料的部件進(jìn)行材料更換，具體材料的更換如表5所示：殼身、后蓋和后輸出端改為HT400材料，許用應(yīng)力由65 MPa提升至133 MPa。更換材料后，變速箱殼體材料的許用應(yīng)力大大提升，進(jìn)一步提升變速箱殼體的強(qiáng)度性能。

表5 材料更換表

3 優(yōu)化后強(qiáng)度性能評(píng)估

對(duì)優(yōu)化改進(jìn)后的殼體進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，得出其強(qiáng)度性能結(jié)果如表6所示?？梢钥闯觯簝?yōu)化改進(jìn)后殼身和后蓋的應(yīng)力由159降為80 MPa，低于許用應(yīng)力133 MPa；變速箱后蓋許用應(yīng)力由136降為113 MPa，低于許用應(yīng)力133 MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。表明經(jīng)過(guò)系列改進(jìn)加強(qiáng)后達(dá)到了預(yù)期目的，解決了導(dǎo)致開裂的強(qiáng)度不足問(wèn)題。

表6 優(yōu)化結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析結(jié)果表

4 結(jié)論

通過(guò)有限元仿真等手段找出了導(dǎo)致變速箱開裂的根本原因。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)和材料更換兩個(gè)策略來(lái)提升變速箱殼體的強(qiáng)度性能。對(duì)優(yōu)化改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度性能評(píng)估，評(píng)估得出優(yōu)化改進(jìn)后強(qiáng)度性能得到了大大提升，滿足設(shè)計(jì)要求，圓滿解決了變速箱殼體開裂問(wèn)題。文中的研究?jī)?nèi)容提供了一種解決此類問(wèn)題的方法和策略。

[1]周良，張斌.機(jī)械式變速箱常見故障分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2010(8):51-53.

ZHOU L,ZHANG B.Common Fault Analysis on Mechanical Transmission[J].Agricultural Equipment & Vehicle Engineering,2010(8):51-53.

[2]張少睿，羅應(yīng)兵，李大永，等.鎂合金汽車變速箱殼體強(qiáng)度分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2004,23(2):154-156.

ZHANG S R,LUO Y B,LI D Y,et al.Strength Analysis of Magnesium Alloy Gear Box[J].Mechanical Science and Technology,2004,23(2):154-156.

ResearchandCountermeasureonCrackingofGearboxShell

LI Leyan1,CHEN Yan2

(1. Zhuzhou Branch,Beijing Automobile Co., Ltd., Zhuzhou Hunan 412007,China；2.Foton AUV Environmental Equipment Division, Changsha Hunan 410129, China)

A gearbox shell has cracked. The cracking problem was studied from the aspects of modal analysis, structural strength and material. The root cause of cracking was the lack of structural strength and poor material properties. Through structural strengthening and material replacement, the problem of cracking was solved. It provides way and strategy to solve such problems.

Gearbox shell；Crack；Methods and countermeasures

2017-04-05

李樂艷(1978—)，男，學(xué)士，研究方向?yàn)槠噦鲃?dòng)系統(tǒng)零部件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造管理、BOM及數(shù)據(jù)管理。E-mail:lileyan@baicmotor.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.08.013

U463.212+.4

B

1674-1986(2017)08-056-03