變速器殼體密封性的有限元分析與優(yōu)化

陳一峰

摘 要：本文通過某變速器在路試過程中出現(xiàn)殼體漏油滲油現(xiàn)象，對(duì)問題分析后，使用Hyperworks和Abaqus軟件對(duì)殼體進(jìn)行有限元分析，計(jì)算出殼體結(jié)合面的間隙，找出滲油的原因。并給出優(yōu)化變速器殼體結(jié)合面密封性能的多種方法，為提高變速器密封性能提供了參考。

關(guān)鍵詞：變速器;滲油;結(jié)合面;密封;優(yōu)化

1 引言

變速器潤滑油在整個(gè)變速器中有著不可或缺的作用，潤滑油用于變速器內(nèi)部的齒軸、軸承等零部件以減少摩擦，主要有潤滑、冷卻、抗腐蝕防銹、清凈沖洗、動(dòng)能傳遞、密封和應(yīng)力分散緩沖等作用。因此，一旦在變速器工作過程中發(fā)生潤滑油的泄漏，變速器在工作狀態(tài)中的性能將受到影響，甚至?xí)a(chǎn)生因潤滑不良而齒輪抱死等故障，從而導(dǎo)致行車的安全性問題。因此，變速器的密封性也是變速器殼體設(shè)計(jì)中的重要指標(biāo)之一。絕大多數(shù)整車廠對(duì)此也有嚴(yán)格的考核標(biāo)準(zhǔn)。

2 變速器殼體結(jié)合面密封性能有限元分析

2.1 問題描述

某項(xiàng)目的變速器在pt耐久的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)變速器殼體有漏油滲油現(xiàn)象，經(jīng)過使用熒光劑，可以判斷漏油位置如圖1所示（圖中綠色熒光劑部分）。因此，對(duì)殼體的結(jié)合面進(jìn)行了有限元密封性分析，找出漏油的具體位置并對(duì)殼體密封面行進(jìn)有效的優(yōu)化，以改善密封效果。

2.2 接觸應(yīng)力計(jì)算的有限元基礎(chǔ)

假設(shè)主動(dòng)輪為彈性體A，從動(dòng)輪為彈性體B。A和B在相互接觸的地方有許多接觸點(diǎn)對(duì)，在外載荷{PA}和{PB}的作用下，產(chǎn)生了位移{UA}和{UB}。根據(jù)有限元基本理論可得到平衡方程：

[KA]{UA}={PA}+{RA} ? ? ? ? ? ? ?（1）

[KB]{UB}={PB}+{RB} ? ? ? ? ? ? ? （2）

其中，[KA]、[KB]為A，B的整體剛度矩陣;{UA}、{UB}為A，B的節(jié)點(diǎn)位移向量;{PA}、{PB}為A，B的整體外載荷向量;{RA}、{RB}為A，B的接觸力向量。

當(dāng)A，B材料、單元類型、外載荷條件確定后，上式中的[KA]、[KB]、{PA}、{PB}就已知了，但是有{UA}、{UB}、{RA}、{RB}4個(gè)未知量，只有方程（1）和方程（2）兩個(gè)方程無法解出，所以要補(bǔ)充接觸點(diǎn)對(duì)的接觸連續(xù)條件。按接觸面狀態(tài)可分為分離、黏結(jié)接觸和滑動(dòng)接觸3種，其對(duì)應(yīng)的接觸面的位移和力的條件是各不相同的。假設(shè)取A，B上的一個(gè)接觸點(diǎn)對(duì)，RA1n、RB2n分別為接觸點(diǎn)對(duì)的法向接觸力，RA1t、RB2t為接觸點(diǎn)對(duì)的切向接觸力，UA1n、UB2n為接觸點(diǎn)對(duì)的法向位移，UA1t、UB2t為接觸點(diǎn)對(duì)的切向位移，則以下方程便是接觸點(diǎn)對(duì)的定解條件。

（1）分離狀態(tài)

RA1n=RB2n=RA1t=RB2t=0

（2）粘結(jié)接觸狀態(tài)

可見對(duì)于一種特定的接觸狀態(tài)，如果有m個(gè)接觸點(diǎn)對(duì)，就可以找到4m個(gè)定解條件作為補(bǔ)充方程，那么方程（1）和方程（2）就可以求解了。

接觸求解的過程是，對(duì)于有限元模型中的一個(gè)接觸點(diǎn)對(duì)，首先給它一個(gè)假定的接觸狀態(tài)，將其定解條件代入平衡方程（1）和方程（2），求出節(jié)點(diǎn)位移和接觸點(diǎn)對(duì)接觸力向量。然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)位移和接觸點(diǎn)對(duì)向量檢查計(jì)算得到的接觸狀況和假設(shè)的接觸狀況是否相符，如不符即要重新假定接觸狀態(tài)再次選擇定解條件，重新進(jìn)行迭代求解平衡方程，直到計(jì)算前后接觸狀態(tài)完全符合。

2.3 有限元模型的建立

該變速器為橫置變速器，殼體由離合器殼體和主殼體組成，所以僅存在一個(gè)結(jié)合面。本次仿真的主要目的是為了驗(yàn)證殼體結(jié)合面的密封情況，因此，仿真模型中并未加入變速器齒軸，并且采用將齒軸載荷通過軸承孔傳遞給殼體的方式給殼體進(jìn)行加載。為了使仿真的邊界條件更加接近整車的工況，仿真模型中加入了懸置支架。同時(shí)，仿真模型中使用rbe2和beam單元的方法代替螺栓連接，螺栓加載預(yù)緊力約為15～18KN。殼體結(jié)合面建立摩擦接觸對(duì)，摩擦系數(shù)約為0.15～0.2。將數(shù)模進(jìn)行幾何清理后，劃分網(wǎng)格，殼體及懸置支架網(wǎng)格的平均尺寸約為3mm，并將結(jié)合面網(wǎng)格局部細(xì)化并保證網(wǎng)格質(zhì)量，如圖2所示。

2.4 邊界條件與工況

為了使分析與實(shí)際整車工況較為接近，將懸置支架約束6個(gè)自由度（也可加入懸置的實(shí)際剛度值），同時(shí)將離合器殼體的大端面也約束6個(gè)自由度。由于汽車在實(shí)際行駛中工況比較復(fù)雜，仿真中選擇了比較典型的1檔工況和倒檔工況來分析問題。變速器殼體內(nèi)部所受的載荷一般由齒輪的嚙合傳遞至軸承，再由軸承傳遞至殼體，因此從MASTA軟件提取軸承的受力情況加載于殼體上。（表1、表2）

2.5 有限元分析結(jié)果

2.5.1 螺栓預(yù)緊力分析結(jié)果

首先考察殼體結(jié)合面僅在螺栓預(yù)緊力作用下的間隙（間隙），如圖3所示為在僅受螺栓預(yù)緊力情況下的殼體結(jié)合面的間隙云圖，從圖中可以看到，殼體定位銷孔附近的間隙較其他位置相對(duì)大一些，但最大值也小于0.003mm，因此可以得出結(jié)論，在僅受螺栓預(yù)緊力的工況下，殼體結(jié)合面的密封性能良好，不會(huì)有漏油滲油的風(fēng)險(xiǎn)。

2.5.2 動(dòng)態(tài)工況分析結(jié)果

殼體1檔工況下結(jié)合面的間隙，如圖4所示，殼體上部分有部分間隙大于0.012mm并且貫穿了整個(gè)殼體結(jié)合面，最大間隙約為0.029mm。變速器殼體結(jié)合面之間通常是涂有密封膠的，根據(jù)這種密封膠的性質(zhì)，其最大斷裂延伸率為260%，結(jié)合密封膠的最大厚度及其他因素后，可以近似認(rèn)為當(dāng)殼體結(jié)合面間隙大于0.012mm且間隙貫穿整個(gè)結(jié)合面時(shí)可以就有漏油滲油的風(fēng)險(xiǎn)。盡管圖中所示區(qū)域在整個(gè)油液面的上方，但齒輪工作時(shí)會(huì)把油甩到殼體上方，因此出現(xiàn)了滲油的情況（具體滲油位置與前文所述滲油位置相吻合）。

殼體倒檔工況下結(jié)合面的間隙，如圖5所示，殼體結(jié)合面的最大間隙為0.026mm，但其中大于0.012mm的部分在結(jié)合面的寬度方向上的區(qū)域很小，因此認(rèn)為殼體在倒檔工況時(shí)漏油滲油的風(fēng)險(xiǎn)并不大。

3 變速器殼體結(jié)合面密封性能優(yōu)化

3.1 變速器殼體結(jié)合面密封性能的優(yōu)化方法

通常情況下，與變速器結(jié)合面密封性能有關(guān)的因素有以下幾種：1.密封膠的屬性與性能直接關(guān)系到密封性能;2.螺栓的擰緊力矩（預(yù)緊力）;3.螺栓之間的布置位置;4.殼體結(jié)合面的寬度;5.殼體整體的結(jié)構(gòu)剛度。

當(dāng)然，上述方法中最有效的還是方法3，螺栓布置的松密會(huì)直接影響結(jié)合面的工作時(shí)的間隙，因此，在相同條件且空間允許的情況下布置更密的螺栓可以直接優(yōu)化殼體的密封性。而從增加殼體整體剛度的角度來說，實(shí)際可行性就相對(duì)較差，效率也不高，通常在實(shí)際項(xiàng)目中很少使用。

根據(jù)本項(xiàng)目的具體情況，首先，滲油的位置處于殼體安裝后的上方位置且滲油的情況并不是很嚴(yán)重，基于殼體的實(shí)際狀態(tài)和優(yōu)化的成本，最終采取了方法4對(duì)殼體結(jié)合面進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的殼體如圖所示，螺栓中心的連線被結(jié)合面寬度所包絡(luò)。

3.2 變速器殼體結(jié)合面密封性能的優(yōu)化結(jié)果

按上述優(yōu)化的方法對(duì)殼體進(jìn)行優(yōu)化后，對(duì)滲油的1檔工況重新進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖6示。結(jié)果顯示，結(jié)合面的最大間隙有原來的0.0295mm降到了0.0187mm，間隙下降了近36%，同時(shí)大于0.012mm的區(qū)域由原來的貫穿整個(gè)結(jié)合面下降到了僅40%左右，因此從理論上可以得到密封性能滿足要求的結(jié)論。

經(jīng)過后續(xù)的試驗(yàn)，并沒有再次發(fā)生滲油現(xiàn)象。

4 結(jié)論

漏油滲油是變速器常見的故障之一，一旦發(fā)生故障，就會(huì)給變速器甚至行車安全帶來巨大的危害，因此確保變速器的密封性能非常重要。本文通過有限元的計(jì)算方法，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出變速器殼體在具體工況下的結(jié)合面的密封性能，并可以通過試驗(yàn)的驗(yàn)證。變速器殼體的密封性能與許多因素有關(guān)，其中包括：密封膠的屬性與性能、螺栓的擰緊力矩（預(yù)緊力）、螺栓之間的布置位置、殼體結(jié)合面的寬度、殼體整體的剛度等等。普通工況下，保證結(jié)合面之間的貫穿的間隙不大于0.012mm就可以在密封膠的作用下確保變速器的密封性能。通常變速器殼體滲油漏油的位置都在油液面一下，但并不排除油液面以上的部分出現(xiàn)滲油現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]王玉鐲，傅傳國.ABAQUS 結(jié)構(gòu)工程分析及實(shí)例詳解[M].北京： 中國建筑工業(yè)出版社，2012：198-204.

[3]陳云，劉詩道. 變速器結(jié)合面的密封性有限元仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證[J].《機(jī)械傳動(dòng)》2017（4）：147-150.

1 引言

變速器潤滑油在整個(gè)變速器中有著不可或缺的作用，潤滑油用于變速器內(nèi)部的齒軸、軸承等零部件以減少摩擦，主要有潤滑、冷卻、抗腐蝕防銹、清凈沖洗、動(dòng)能傳遞、密封和應(yīng)力分散緩沖等作用。因此，一旦在變速器工作過程中發(fā)生潤滑油的泄漏，變速器在工作狀態(tài)中的性能將受到影響，甚至?xí)a(chǎn)生因潤滑不良而齒輪抱死等故障，從而導(dǎo)致行車的安全性問題。因此，變速器的密封性也是變速器殼體設(shè)計(jì)中的重要指標(biāo)之一。絕大多數(shù)整車廠對(duì)此也有嚴(yán)格的考核標(biāo)準(zhǔn)。

2 變速器殼體結(jié)合面密封性能有限元分析

2.1 問題描述

某項(xiàng)目的變速器在pt耐久的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)變速器殼體有漏油滲油現(xiàn)象，經(jīng)過使用熒光劑，可以判斷漏油位置如圖1所示（圖中綠色熒光劑部分）。因此，對(duì)殼體的結(jié)合面進(jìn)行了有限元密封性分析，找出漏油的具體位置并對(duì)殼體密封面行進(jìn)有效的優(yōu)化，以改善密封效果。

2.2 接觸應(yīng)力計(jì)算的有限元基礎(chǔ)

假設(shè)主動(dòng)輪為彈性體A，從動(dòng)輪為彈性體B。A和B在相互接觸的地方有許多接觸點(diǎn)對(duì)，在外載荷{PA}和{PB}的作用下，產(chǎn)生了位移{UA}和{UB}。根據(jù)有限元基本理論可得到平衡方程：

其中，[KA]、[KB]為A，B的整體剛度矩陣;{UA}、{UB}為A，B的節(jié)點(diǎn)位移向量;{PA}、{PB}為A，B的整體外載荷向量;{RA}、{RB}為A，B的接觸力向量。

當(dāng)A，B材料、單元類型、外載荷條件確定后，上式中的[KA]、[KB]、{PA}、{PB}就已知了，但是有{UA}、{UB}、{RA}、{RB}4個(gè)未知量，只有方程（1）和方程（2）兩個(gè)方程無法解出，所以要補(bǔ)充接觸點(diǎn)對(duì)的接觸連續(xù)條件。按接觸面狀態(tài)可分為分離、黏結(jié)接觸和滑動(dòng)接觸3種，其對(duì)應(yīng)的接觸面的位移和力的條件是各不相同的。假設(shè)取A，B上的一個(gè)接觸點(diǎn)對(duì)，RA1n、RB2n分別為接觸點(diǎn)對(duì)的法向接觸力，RA1t、RB2t為接觸點(diǎn)對(duì)的切向接觸力，UA1n、UB2n為接觸點(diǎn)對(duì)的法向位移，UA1t、UB2t為接觸點(diǎn)對(duì)的切向位移，則以下方程便是接觸點(diǎn)對(duì)的定解條件。

（1）分離狀態(tài)

RA1n=RB2n=RA1t=RB2t=0

（2）粘結(jié)接觸狀態(tài)

可見對(duì)于一種特定的接觸狀態(tài)，如果有m個(gè)接觸點(diǎn)對(duì)，就可以找到4m個(gè)定解條件作為補(bǔ)充方程，那么方程（1）和方程（2）就可以求解了。

接觸求解的過程是，對(duì)于有限元模型中的一個(gè)接觸點(diǎn)對(duì)，首先給它一個(gè)假定的接觸狀態(tài)，將其定解條件代入平衡方程（1）和方程（2），求出節(jié)點(diǎn)位移和接觸點(diǎn)對(duì)接觸力向量。然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)位移和接觸點(diǎn)對(duì)向量檢查計(jì)算得到的接觸狀況和假設(shè)的接觸狀況是否相符，如不符即要重新假定接觸狀態(tài)再次選擇定解條件，重新進(jìn)行迭代求解平衡方程，直到計(jì)算前后接觸狀態(tài)完全符合。

2.3 有限元模型的建立

該變速器為橫置變速器，殼體由離合器殼體和主殼體組成，所以僅存在一個(gè)結(jié)合面。本次仿真的主要目的是為了驗(yàn)證殼體結(jié)合面的密封情況，因此，仿真模型中并未加入變速器齒軸，并且采用將齒軸載荷通過軸承孔傳遞給殼體的方式給殼體進(jìn)行加載。為了使仿真的邊界條件更加接近整車的工況，仿真模型中加入了懸置支架。同時(shí)，仿真模型中使用rbe2和beam單元的方法代替螺栓連接，螺栓加載預(yù)緊力約為15～18KN。殼體結(jié)合面建立摩擦接觸對(duì)，摩擦系數(shù)約為0.15～0.2。將數(shù)模進(jìn)行幾何清理后，劃分網(wǎng)格，殼體及懸置支架網(wǎng)格的平均尺寸約為3mm，并將結(jié)合面網(wǎng)格局部細(xì)化并保證網(wǎng)格質(zhì)量，如圖2所示。

2.4 邊界條件與工況

為了使分析與實(shí)際整車工況較為接近，將懸置支架約束6個(gè)自由度（也可加入懸置的實(shí)際剛度值），同時(shí)將離合器殼體的大端面也約束6個(gè)自由度。由于汽車在實(shí)際行駛中工況比較復(fù)雜，仿真中選擇了比較典型的1檔工況和倒檔工況來分析問題。變速器殼體內(nèi)部所受的載荷一般由齒輪的嚙合傳遞至軸承，再由軸承傳遞至殼體，因此從MASTA軟件提取軸承的受力情況加載于殼體上。（表1、表2）

2.5 有限元分析結(jié)果

2.5.1 螺栓預(yù)緊力分析結(jié)果

首先考察殼體結(jié)合面僅在螺栓預(yù)緊力作用下的間隙（間隙），如圖3所示為在僅受螺栓預(yù)緊力情況下的殼體結(jié)合面的間隙云圖，從圖中可以看到，殼體定位銷孔附近的間隙較其他位置相對(duì)大一些，但最大值也小于0.003mm，因此可以得出結(jié)論，在僅受螺栓預(yù)緊力的工況下，殼體結(jié)合面的密封性能良好，不會(huì)有漏油滲油的風(fēng)險(xiǎn)。

2.5.2 動(dòng)態(tài)工況分析結(jié)果

殼體1檔工況下結(jié)合面的間隙，如圖4所示，殼體上部分有部分間隙大于0.012mm并且貫穿了整個(gè)殼體結(jié)合面，最大間隙約為0.029mm。變速器殼體結(jié)合面之間通常是涂有密封膠的，根據(jù)這種密封膠的性質(zhì)，其最大斷裂延伸率為260%，結(jié)合密封膠的最大厚度及其他因素后，可以近似認(rèn)為當(dāng)殼體結(jié)合面間隙大于0.012mm且間隙貫穿整個(gè)結(jié)合面時(shí)可以就有漏油滲油的風(fēng)險(xiǎn)。盡管圖中所示區(qū)域在整個(gè)油液面的上方，但齒輪工作時(shí)會(huì)把油甩到殼體上方，因此出現(xiàn)了滲油的情況（具體滲油位置與前文所述滲油位置相吻合）。

殼體倒檔工況下結(jié)合面的間隙，如圖5所示，殼體結(jié)合面的最大間隙為0.026mm，但其中大于0.012mm的部分在結(jié)合面的寬度方向上的區(qū)域很小，因此認(rèn)為殼體在倒檔工況時(shí)漏油滲油的風(fēng)險(xiǎn)并不大。

3 變速器殼體結(jié)合面密封性能優(yōu)化

3.1 變速器殼體結(jié)合面密封性能的優(yōu)化方法

通常情況下，與變速器結(jié)合面密封性能有關(guān)的因素有以下幾種：1.密封膠的屬性與性能直接關(guān)系到密封性能;2.螺栓的擰緊力矩（預(yù)緊力）;3.螺栓之間的布置位置;4.殼體結(jié)合面的寬度;5.殼體整體的結(jié)構(gòu)剛度。

當(dāng)然，上述方法中最有效的還是方法3，螺栓布置的松密會(huì)直接影響結(jié)合面的工作時(shí)的間隙，因此，在相同條件且空間允許的情況下布置更密的螺栓可以直接優(yōu)化殼體的密封性。而從增加殼體整體剛度的角度來說，實(shí)際可行性就相對(duì)較差，效率也不高，通常在實(shí)際項(xiàng)目中很少使用。

根據(jù)本項(xiàng)目的具體情況，首先，滲油的位置處于殼體安裝后的上方位置且滲油的情況并不是很嚴(yán)重，基于殼體的實(shí)際狀態(tài)和優(yōu)化的成本，最終采取了方法4對(duì)殼體結(jié)合面進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的殼體如圖所示，螺栓中心的連線被結(jié)合面寬度所包絡(luò)。

3.2 變速器殼體結(jié)合面密封性能的優(yōu)化結(jié)果

按上述優(yōu)化的方法對(duì)殼體進(jìn)行優(yōu)化后，對(duì)滲油的1檔工況重新進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖6示。結(jié)果顯示，結(jié)合面的最大間隙有原來的0.0295mm降到了0.0187mm，間隙下降了近36%，同時(shí)大于0.012mm的區(qū)域由原來的貫穿整個(gè)結(jié)合面下降到了僅40%左右，因此從理論上可以得到密封性能滿足要求的結(jié)論。

經(jīng)過后續(xù)的試驗(yàn)，并沒有再次發(fā)生滲油現(xiàn)象。

4 結(jié)論

漏油滲油是變速器常見的故障之一，一旦發(fā)生故障，就會(huì)給變速器甚至行車安全帶來巨大的危害，因此確保變速器的密封性能非常重要。本文通過有限元的計(jì)算方法，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出變速器殼體在具體工況下的結(jié)合面的密封性能，并可以通過試驗(yàn)的驗(yàn)證。變速器殼體的密封性能與許多因素有關(guān)，其中包括：密封膠的屬性與性能、螺栓的擰緊力矩（預(yù)緊力）、螺栓之間的布置位置、殼體結(jié)合面的寬度、殼體整體的剛度等等。普通工況下，保證結(jié)合面之間的貫穿的間隙不大于0.012mm就可以在密封膠的作用下確保變速器的密封性能。通常變速器殼體滲油漏油的位置都在油液面一下，但并不排除油液面以上的部分出現(xiàn)滲油現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]王玉鐲，傅傳國.ABAQUS 結(jié)構(gòu)工程分析及實(shí)例詳解[M].北京： 中國建筑工業(yè)出版社，2012：198-204.

[3]陳云，劉詩道. 變速器結(jié)合面的密封性有限元仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證[J].《機(jī)械傳動(dòng)》2017（4）：147-150.