變速器取力器殼體開裂分析及優化設計

楊 罡

（中國重汽集團 大同齒輪有限公司 技術中心，山西 大同 037305）

0 引言

變速器是汽車底盤傳動系統的主要部件之一，其功能是通過不同齒輪副的組合來達到變速和變矩的目的，主要由齒輪、軸、殼體、操縱機構、軸承等零部件組成。變速器應具有傳動效率高、操縱輕便、穩定可靠等特點，根據整車的使用工況，有些變速器還應加裝取力器。取力器是裝在變速器外側的部件，其從變速器內部獲取動力，通過駕駛室的電磁閥來控制取力器的掛檔和摘檔，由取力器帶動油泵或其他裝置實現動力輸出。

本文分析的取力器屬于后置取力器，裝配在變速器的后部，輸入端從變速器內部的軸獲取動力，輸出端通過傳動軸與整車油泵連接，由氣路控制取力器的掛檔和摘檔。當氣路打開，取力器掛上檔后處于工作狀態，從輸入端獲得的動力傳遞給輸出端，使輸出端的傳動軸帶動相關部件從靜止狀態變為轉動狀態開始工作。該取力器在市場使用過程中出現了殼體開裂的現象，本文通過對失效件進行分析和優化設計，達到消除故障的目的［1］。

1 取力器殼體開裂分析

拆檢取力器殼體失效件進行分析，發現開裂起始部位在殼體中部左側連接孔處，如圖1所示。觀察失效件并分析取力器的使用工況，發現如下特征：①取力器輸出端帶動的負載較大，在取力器開始工作的掛檔瞬間會對取力器本體產生沖擊，殼體承擔了較大的載荷；②開裂部位處于殼體壁厚變化較大處，該處容易產生應力集中，當取力器工作時，此處在外力的沖擊下可能產生開裂現象［2］。

本文利用ANSYS有限元分析軟件對殼體進行強度分析，按照實際工況對各處施加約束，并通過合理的網格劃分和邊界條件設定，對取力器殼體強度進行分析計算［3］。圖2為取力器原結構殼體應力云圖。從圖2中發現，計算結果與殼體實際發生開裂的位置吻合，中部左側連接孔處應力最大，達到138.51MPa，下部軸承孔處和右側壁薄處應力也較大。

圖1 取力器殼體開裂失效件

圖2 取力器原結構殼體 應力云圖

2 取力器殼體優化設計

取力器殼體的材料是 HT200，壁厚為6mm。HT200作鑄件時壁厚和抗拉強度的關系如下：當壁厚為2.5mm～10mm時，其抗拉強度為220MPa；壁厚為10mm～20mm時，其抗拉強度會下降為195MPa。為減小應力集中，提高安全率，同時控制改進成本，將殼體壁厚改為8mm，并減小中部左側連接孔處周圍的壁厚變化，降低應力集中。圖3為取力器殼體優化前、后對比。

圖3 取力器殼體優化前、后對比

對優化后殼體進行強度分析，計算結果如圖4所示。從圖4中可看出，中部左側連接孔處應力降低，下部軸承孔處和右側壁薄處應力也降低，殼體最大應力為62.094MPa，殼體最大應力小于材料的抗拉強度，安全率較高，滿足設計要求［4］。

圖4 殼體優化后應力云圖

3 優化后取力器殼體的試驗驗證

將殼體優化后的取力器總成裝配到變速器上進行臺架試驗驗證。臺架試驗采用輸入端轉動，輸出端靜止的方式模擬整車工況，用電控柜控制氣路實現取力器的掛檔和摘檔動作。試驗中對取力器連續進行掛檔和摘檔，反復沖擊，連續試驗84h，等效于裝配取力器的整車在取力器普通使用頻率下行駛了20萬公里。試驗完成后拆檢取力器，殼體完好，無開裂等失效現象。

4 結論

（1）觀察失效件，失效部位存在應力集中，在工作過程中受沖擊開裂。分析計算殼體強度，計算結果與失效件開裂位置吻合，據此進行優化設計。

（2）對優化設計的方案進行強度分析，殼體最大應力為62.094MPa，小于材料的抗拉強度220MPa，安全率較高。

（3）將殼體優化后的取力器總成裝配到變速器上進行臺架試驗驗證，試驗完成后取力器殼體完好，無開裂等失效現象，滿足設計要求。

［1］張棟.失效分析［M］.北京：國防工業出版社，2004.

［2］武寶林，楊素君，姚俊紅.齒輪傳動中嚙合沖擊的理論分析［J］.機械科學與技術，2003（1）：55－57.

［3］段靜波，李道奎，雷勇軍.斷裂力學分析的奇異有限元法研究綜述［J］.機械強度，2012（2）：262－269.

［4］鄧洪超，馬文星，康一坡.基于多零件接觸的重型汽車變速器殼體強度分析［J］.機械設計與制造，2009（4）：111－113.