一种变速箱路试开裂改进方案

2018-03-01倪晋挺

重庆理工大学学报(自然科学) 2018年1期

王波，倪晋挺，丁芳

(安徽机电职业技术学院汽车工程系，安徽芜湖 241002)

变速箱作为车辆动力输出的重要部件，在车辆的运输过程中受力状况比较复杂[1]。若变速箱壳体关键位置的结构设计不合理，会导致局部结构受力过大，在拉压、剪切、扭转力矩等载荷的作用下发生断裂或撕裂。若螺栓安装位置设计不合理，会使变速箱安装配合螺栓受力不均匀，导致螺栓拉脱现象的发生[2-3]。

本文以某款变速箱为例进行研究。该款变速箱在四万五综合路试及三万强化路试过程中均发生开裂，开裂里程分别为17 800 km及9 756 km，开裂均位于后悬置与变速箱安装配合的同一螺栓孔位置附近，开裂图片如图1、2所示。

图1 螺栓安装孔及端面位置

1 变速箱分析模型建立

1.1 变速箱有限元模型

由于变速箱壳体较大，为了便于计算，截取变速箱壳体(截取一部分)、后悬置支架、后悬置支架副车架侧的连接支架等进行建模，局部区域要求细化，体现特征细节。模型中有衬套，衬套的模拟通过Abaqus软件的connector behavior卡片，使用一个平移连接属性和一个旋转连接属性的组合，即由CARTESIAN、CARDAN建立。建好后模型如图3、4所示。

图3 变速箱与悬置配合有限元模型

图4 变速箱壳体有限元模型

1.2 有限元模型材料参数

变速箱与悬置配合有限元模型的各零件材料参数详见表1。

表1 有限元模型材料参数

1.3 分析工况及边界条件

对于后悬置采用摆杆形式的3点悬置结构，变速箱壳体承受的最大载荷主要为1挡全油门猛启动和倒车工况产生的载荷，分析载荷可通过计算悬置衬套点的受力获得。

边界条件：约束变速箱截取部分端面节点的1～6自由度；加载点为后悬置副车架侧衬套中心点。

由于后悬置和变速箱之间通过螺栓配合连接，不同型号螺栓的预紧力矩存在差异，因此在模拟过程中，需要在分析模型中考虑变速箱壳体与悬置支架接触面之间的摩擦力及螺栓的预紧力[4]。螺栓预紧力的大小可通过经验公式(1)计算或查相关手册得到[5-6]。本文采用的螺栓预紧力为20 000 N。

T=K·F0·d

(1)

式中：K为拧紧力矩系数，通常取0.284；F0为预紧力；d为螺纹公称直径。

1.4 分析结果

通过Abaqus软件进行计算，得到变速箱壳体在1挡全油门猛启动工况冲击载荷作用下的应力云图，如图5所示。

图5 变速箱壳体应力云图

根据应力分析结果可知：开裂螺栓孔应力趋势与路试开裂位置趋势吻合，开裂位置存在明显的应力集中。

2 变速箱结构改进

2.1 安装位置优化

从图3结构上看，动力总成的翻转力矩或垂向颠簸载荷最终都转化成绕后悬置摆杆侧的X向载荷，因此，从受力角度而言，变速箱上、中、下3个安装孔中的下侧安装点1(开裂安装点)首先受力，并且变速箱与悬置安装配合的3个安装点受力不均匀；从力矩角度来说，后悬置悬臂的长度相对于安装点1位置，存在力矩的作用。因此，对安装点1所承受的载荷有放大作用。

根据上述分析，更改变速箱与后悬置安装配合的螺栓位置，取消图4所示的原结构螺栓孔2和螺栓孔3，在开裂位置A(安装点1)的下侧方增加螺栓安装孔B和螺栓安装孔C。更改后的结构如图6所示。

为了验证优化安装位置的有效性，首先对比位置改变前后螺栓的受力情况。更改前后开裂位置处螺栓的载荷对比结果如图7所示。