引言

　　變速器殼體是變速器結(jié)構(gòu)中的重要組成部件，起到支撐、保護(hù)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和保存潤(rùn)滑油的作用。變速器殼體的密封性能對(duì)變速器的性能發(fā)揮很關(guān)鍵，對(duì)整車(chē)的使用也有一定影響，密封性能不好容易造成潤(rùn)滑油滲漏，一方面潤(rùn)滑油會(huì)流到路面，影響行車(chē)安全，污染環(huán)境;另一方面，潤(rùn)滑油流到變速器和發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體上會(huì)影響變速器和發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱，同時(shí)油會(huì)吸附大量灰塵，影響維修和通風(fēng);變速器密封性能不好造成潤(rùn)滑油大量泄漏還會(huì)造成變速器傳動(dòng)效率下降，齒輪潤(rùn)滑不良，齒輪抱死、燒蝕等故障，影響行車(chē)安全等。變速器的密封性能越來(lái)越引起主機(jī)廠的重視。

　　1變速器結(jié)合面靜態(tài)間隙有限元分析

　　1.1有限元分析過(guò)程

　　有限元分析過(guò)程主要包括3個(gè)部分：前處理模塊、求解模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，是將殼體三維數(shù)模處理成有限元模型的工具，包括幾何清理、網(wǎng)格劃分、建立約束和施加載荷等;求解模塊是有限元前處理結(jié)果的計(jì)算模塊，將前處理結(jié)果計(jì)算成最終想要的分析結(jié)果;后處理模塊是采集處理分析結(jié)果，將求解的結(jié)果提取出來(lái)，以數(shù)據(jù)或圖形的方式表達(dá)出來(lái)。

　　1.2有限元模型

　　該變速器為三段式，分別為離合器殼、前箱體和后箱體，三段兩兩由螺栓固定，存在兩個(gè)結(jié)合面。因?yàn)橹环治鰵んw的密封性，所以不考慮殼體內(nèi)的齒軸件。將殼體在三維軟件中裝配好后，再在各螺栓孔處建立螺栓三維模型，保存為stp格式，導(dǎo)入到hypermesh軟件中，進(jìn)行幾何清理和劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分好后，在殼體的兩結(jié)合面處建立接觸對(duì)，摩擦面之間的摩擦因數(shù)設(shè)定為0.2，容差設(shè)為0.03，螺栓頭與殼體平面也建立接觸對(duì)，另將螺栓的螺紋與殼體的螺紋孔進(jìn)行度tie處理，這樣殼體的幾何關(guān)系建立完成。如圖1所示：

　　圖1 變速器的有限元模型

　　1.3 邊界條件與工況

　　汽車(chē)的動(dòng)力總成在整車(chē)上是非剛性連接的，但單獨(dú)考慮變速器可以看作是剛性連接，約束離合器殼端面與懸置，均約束6個(gè)方向上的自由度。分析結(jié)合面靜態(tài)間隙時(shí)，只有螺栓預(yù)緊力，在螺栓上添加一對(duì)內(nèi)拉力。分析動(dòng)態(tài)間隙時(shí)，變速器一檔和倒檔承受的扭矩最大，所以只考慮一檔和倒檔工況?；趍asta軟件算出一、倒檔工況下軸承孔的載荷，如表1、2所示：

　　表1 一檔工況各軸承孔的載荷(單位 KN)

　　表2 倒檔工況各軸承孔的載荷(單位 KN)

　　注：表中變速器坐標(biāo)與整車(chē)坐標(biāo)一致。

　　根據(jù)表1、2的工況，分別在各軸承孔處添加相應(yīng)方向載荷。

　　1.4 有限元分析結(jié)果

　　1.4.1靜態(tài)間隙結(jié)果

　　靜態(tài)時(shí)只考慮螺栓預(yù)緊力，將有限元模型導(dǎo)入abaqus軟件中，在螺栓中部添加bolt load 載荷，計(jì)算結(jié)果如圖2、3所示：

　　圖2 后箱體與前箱體結(jié)合面靜態(tài)間隙

　　圖3 離合器殼與前箱體結(jié)合面靜態(tài)間隙

　　從圖2、3上看，結(jié)合面大部分區(qū)域結(jié)合緊密，分布在螺栓連線上的殼體表現(xiàn)較好，遠(yuǎn)離兩螺栓連線的殼體存在間隙，定位銷(xiāo)孔周?chē)泊嬖陂g隙，除后箱體與前箱體上方定位銷(xiāo)間隙大于0.05mm外，其它處間隙均較小。

　　1.4.2動(dòng)態(tài)間隙結(jié)果

　　一檔：除了考慮螺栓預(yù)緊力，還在各軸承孔處增加一檔時(shí)的軸承力，計(jì)算結(jié)果如圖4、5所示：

　　圖4 后箱體與前箱體結(jié)合面一檔動(dòng)態(tài)間隙

　　圖5 離合器殼與前箱體結(jié)合面一檔動(dòng)態(tài)間隙

　　倒檔：除了考慮螺栓預(yù)緊力，還在各軸承孔處增加倒檔時(shí)的軸承載荷，計(jì)算結(jié)果如圖6、7所示：

　　圖6 后箱體與前箱體結(jié)合面倒檔動(dòng)態(tài)間隙

　　圖7 離合器殼與前箱體結(jié)合面倒檔動(dòng)態(tài)間隙

　　從動(dòng)態(tài)間隙計(jì)算結(jié)果來(lái)看，結(jié)合面間隙與靜態(tài)有一定區(qū)別，一檔時(shí)前箱體與后箱體結(jié)合面間隙右側(cè)變小，左側(cè)變大，倒檔時(shí)情況剛好相反;離合器殼與前箱體總體變化不大，動(dòng)態(tài)情況下間隙均小于0.05mm。除1檔的后箱體與前箱體定位銷(xiāo)孔間隙最大，為0.1043mm;倒檔時(shí)也是該處間隙最大，為0.0771mm，其它工況條件下均小于0.05mm，而變速器結(jié)合面是有密封膠的，這種硅膠最大拉升率為200%，靜態(tài)時(shí)密封膠厚度為0.0847mm，最大容許結(jié)合面的間隙為0.1694mm，大于動(dòng)態(tài)時(shí)的最大間隙0.1043mm，所以理論上變速器不存在漏油風(fēng)險(xiǎn)。

　　2 面壓試驗(yàn)

　　2.1面壓試驗(yàn)簡(jiǎn)介

　　面壓試驗(yàn)是在兩殼體的結(jié)合面上放一層壓力測(cè)量膠片(俗稱感壓紙)，感壓紙能測(cè)出結(jié)合面之間的壓力，感壓紙顯示的紅色越深，說(shuō)明結(jié)合面結(jié)合越緊密，壓力越大;感壓紙顯示的紅色越淺，說(shuō)明結(jié)合較松，壓力越小;感壓紙無(wú)紅色，則該區(qū)域無(wú)壓力，說(shuō)明該處存在間隙。根據(jù)變速器的裝配工藝擰緊螺栓，放置2分鐘以上，再拆除螺栓，取出感壓紙，就可看到兩結(jié)合面之間的壓力分布。

　　2.2面壓試驗(yàn)結(jié)果

　　試驗(yàn)一：殼體樣本為倉(cāng)庫(kù)成品區(qū)中隨機(jī)取;圖紙要求螺栓扭矩為34~41N.m取中差，試驗(yàn)取螺栓扭矩取38N.m。面壓試驗(yàn)結(jié)果如圖8、9所示：

　　圖8 試驗(yàn)一，前箱體與后箱體面壓試驗(yàn)結(jié)果

　　圖9 試驗(yàn)一，離合器殼與前箱體面壓試驗(yàn)結(jié)果

　　從圖8、9上看，感壓紙?jiān)?、4、7、8、10、11、12、13、15、16、19處有空白間隙，對(duì)比前箱體，發(fā)現(xiàn)前箱體兩端面均存在刀具震刀紋，刀紋造成該處壓力空白;6、14處為定位銷(xiāo)孔，該處存在一大片空白，說(shuō)明該處壓力較小，考慮是殼體的存油位置，該處壓力不足，存在風(fēng)險(xiǎn);1、2、3、4、5、12、13也存在壓力不同程度偏小。

　　第一次試驗(yàn)后，感壓紙上有空白的連續(xù)斷線，它與前箱體的刀具震刀紋能對(duì)應(yīng)起來(lái)，判斷為刀具震刀紋造成的連續(xù)空白無(wú)壓力區(qū)域，同時(shí)后箱體的平面度也嚴(yán)重超差，最大的平面度達(dá)到了0.11mm，遠(yuǎn)超過(guò)圖紙要求的0.03mm。經(jīng)過(guò)反復(fù)挑選，倉(cāng)庫(kù)中無(wú)法挑選到無(wú)刀具震刀紋的前箱體和平面度合格的后箱體;經(jīng)協(xié)調(diào)重新加工了一套無(wú)刀具震刀紋，平面度合格的箱體后再做試驗(yàn)。

　　試驗(yàn)二：試驗(yàn)前檢測(cè)殼體的平面度，符合圖紙要求，均小于0.03mm，且無(wú)刀具震刀紋;安裝時(shí)，螺栓扭矩為38N.m。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示：

　　圖10 試驗(yàn)二，前箱體與后箱體 離合器殼與前箱體 面壓試驗(yàn)結(jié)果

　　1、3、4、5、6、8處相比第一次紅色增多，壓力在殼體內(nèi)側(cè)是連續(xù)的，空白斷線不存在，有較大改善;兩個(gè)結(jié)合面的定位銷(xiāo)處壓力還是不足，前箱體與離合器殼的結(jié)合面好于前箱體與后箱體結(jié)合面。

　　試驗(yàn)三：第二次試驗(yàn)后，感壓紙還有壓力不足處，懷疑是螺栓扭矩不足造成，將螺栓扭矩?cái)Q到50N.m，做了前箱體與后箱體結(jié)合面的面壓試驗(yàn)，結(jié)果如下：

　　圖11試驗(yàn)三 前箱體與后箱體面壓試驗(yàn)結(jié)果

　　對(duì)比前兩次試驗(yàn)，這次結(jié)果比前兩次要好，不連續(xù)的空白較少，但2、3、4、5處外側(cè)還是有空白區(qū)域，定位銷(xiāo)也是樣，說(shuō)明增加螺栓扭矩對(duì)結(jié)合面密封有幫助，但殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也非常重要。

　　3面壓試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果對(duì)比

　　將面壓試驗(yàn)結(jié)果與有限元的結(jié)合面靜態(tài)間隙進(jìn)行對(duì)比，如圖12、13所示：

　圖12 前箱體與后箱體結(jié)合面面壓試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果對(duì)比圖

　　圖13 離合器殼與前箱體結(jié)合面面壓試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果對(duì)比圖

　　從圖12、13可以看到，左側(cè)面壓試驗(yàn)空白區(qū)域與右側(cè)有限元間隙分析可以對(duì)應(yīng)起來(lái)，壓力小的地方，間隙大，說(shuō)明有限元分析結(jié)果沒(méi)問(wèn)題，有限元分析結(jié)果上無(wú)連續(xù)空白區(qū)域，說(shuō)明該殼體密封性還是較好的。由于殼體結(jié)合面涂有硅膠，具有較大的間隙補(bǔ)償作用，所以從理論上講，殼體不會(huì)從結(jié)合面漏油。

　　4 箱體帶密封膠的面壓試驗(yàn)驗(yàn)證

　　箱體在沒(méi)有密封膠的情況下，面壓試驗(yàn)有些地方存在壓力不足，有的地方甚至連續(xù)空白，存在漏油風(fēng)險(xiǎn)，為了驗(yàn)證有密封膠的情況壓力是否均勻，在做面壓試驗(yàn)時(shí)，裝好感壓紙，按正常裝配工藝，在結(jié)合面上涂上密封膠，做出來(lái)的面壓試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示：

　　圖14 帶密封膠的面壓試驗(yàn)

　　從圖14可以看出，紅色分布較均勻，說(shuō)明大部分區(qū)域均有壓力，帶密封膠的結(jié)合面密封性可靠。

　　為了驗(yàn)證結(jié)合面質(zhì)量合格的箱體密封性，在涂膠裝配后，按照整車(chē)傾角，加好油放置了兩周時(shí)間，觀察變速器結(jié)合面處未發(fā)現(xiàn)滲油;將該變速器裝入試驗(yàn)車(chē)，跑20天，在結(jié)合面處亦無(wú)潤(rùn)滑油滲出，說(shuō)明整改后的殼體密封性能合格，前期漏油是由于結(jié)合面質(zhì)量不合格造成的。

　　5 結(jié)論

　　1)箱體結(jié)合面質(zhì)量、平面度、螺栓擰緊扭矩、螺栓分布、結(jié)合面剛度、密封膠等對(duì)箱體密封性都有影響;

　　2)有限元分析結(jié)合面靜態(tài)間隙與面壓試驗(yàn)的結(jié)果一致，兩種方式都能研究變速器結(jié)合面的密封情況，但面壓試驗(yàn)只能做靜態(tài)的壓力分布，有限元可以分析不同工況下的動(dòng)態(tài)間隙;

　　3)定位銷(xiāo)位置設(shè)計(jì)盡量處于潤(rùn)滑油面以上，銷(xiāo)孔和螺栓孔位置重合最佳，這樣可以避免銷(xiāo)孔處產(chǎn)生間隙;

　　4)殼體結(jié)合面理論上難免存在間隙，但要保證間隙不與內(nèi)外腔相通，否則也容易造成漏油。