變速箱殼體開裂問題研究與對策

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.福田歐輝環境裝備事業部，湖南長沙 410129)

變速箱殼體開裂問題研究與對策

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.福田歐輝環境裝備事業部，湖南長沙 410129)

某型變速箱殼體出現了開裂問題。從模態、結構強度和材料等方面針對開裂問題進行研究，得出開裂的根本原因是結構強度不足和材料性能差。通過加強結構和更換材料，解決了開裂問題，提供了一種解決此類問題的方法和策略。

變速箱殼體；開裂；方法與對策

0 引言

汽車機械式變速箱是汽車一個重要的系統總成，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變速箱的骨架，它不但受到外界復雜路面工況的沖擊，還受到變速箱內部扭矩傳遞和齒輪嚙合反作用力等復雜工況的作用。變速箱殼體的質量和可靠性決定了變速箱的使用壽命，因此設計一款強度足夠、可靠性高、價格便宜實惠的變速箱殼體是人們追求的目標。文中所研究的這款變速箱殼體在使用過程中出現了開裂的質量問題，如圖1所示。此質量問題嚴重影響了車輛使用壽命，帶來了巨大的經濟損失。因此分析開裂的原因并找出應對策略，不但能夠減少損失，并且對于類似的開裂問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

根據變速箱殼體開裂的形式和裂紋形狀，初步分析導致開裂的原因有兩種可能：(1)變速箱殼體的模態與發動機激勵發生共振導致的共振破損；(2)結構和材料強度不足，在扭矩和齒輪嚙合反作用力作用下發生破壞。

1.1 變速箱殼體共振分析

研究變速箱殼體是否發生共振，首先對殼體進行有限元離散化，計算出其模態振動頻率和振型。模態振型結果如表1所示。該變速箱所配發動機為6缸4沖程發動機，怠速為700 r/min，最高轉速為2 830 r/min。計算得到激振頻率f的范圍為35 Hz

表1 變速箱殼體模態計算結果表

1.2 結構強度分析

當變速箱位于一擋即起步擋位置時,所受到的牽引力最大,所以選取一擋時變速箱殼體所受外力作為外載荷。變速箱在工作過程中,受力是通過軸承與殼體相接觸來傳遞的,故分析殼體的受力情況時,先要分析軸承的受力情況。為了計算變速箱殼體所受的力,須先得到變速箱內各齒輪對間的力,這些力通過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構靜力學分析工況。

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程中時刻處于較復雜的工況下，對疲勞系數有高的要求，換擋的過程中時常受到變速沖擊的影響，對動載系數有較高要求。因此其安全系數取3以上，許用應力σ=σs/s=195/3≈65 MPa。

表2 HT200材料特性

對此變速箱殼體進行有限元建模，并且加載在一擋起步時的各軸孔載荷，對其進行結構靜力學分析，得分析結果如表3所示?？梢钥闯觯猴w輪殼和后輸出端應力分別為13和65 MPa,低于或等于65 MPa，但是殼身和后蓋應力分別為159和136 MPa,遠遠大于許用應力65 MPa。其最大應力分布處恰好與實際裂紋開裂處一致，可見結構和材料強度不足是導致變速箱殼體開裂的根本原因。

表3 結構靜力學分析結果表

2 應對策略

通過分析變速箱殼體的結構和材料，找到開裂的根本原因，制定以下方案，對其進行優化改進。首先是結構的優化改進，具體的改進方案如表4所示。在殼體頂部加凸筋和大斜筋，殼體上部的板厚加厚，兩側加凸筋加強，殼體內部垂直過渡改為大斜角過渡。經過此系列改進后，變速箱殼體強度得到大大加強。

表4 結構優化改進表

結構改進后，將原來使用HT200材料的部件進行材料更換，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力大大提升，進一步提升變速箱殼體的強度性能。

表5 材料更換表

3 優化后強度性能評估

對優化改進后的殼體進行結構靜力學分析，得出其強度性能結果如表6所示?？梢钥闯觯簝灮倪M后殼身和后蓋的應力由159降為80 MPa，低于許用應力133 MPa；變速箱后蓋許用應力由136降為113 MPa，低于許用應力133 MPa，滿足強度設計要求。表明經過系列改進加強后達到了預期目的，解決了導致開裂的強度不足問題。

表6 優化結構靜力學分析結果表

4 結論

通過有限元仿真等手段找出了導致變速箱開裂的根本原因。通過結構優化改進和材料更換兩個策略來提升變速箱殼體的強度性能。對優化改進后的結構進行強度性能評估，評估得出優化改進后強度性能得到了大大提升，滿足設計要求，圓滿解決了變速箱殼體開裂問題。文中的研究內容提供了一種解決此類問題的方法和策略。

[1]周良，張斌.機械式變速箱常見故障分析[J].農業裝備與車輛工程,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，羅應兵，李大永，等.鎂合金汽車變速箱殼體強度分析[J].機械科學與技術,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，學士，研究方向為汽車傳動系統零部件設計、生產制造管理、BOM及數據管理。E-mail:lileyan@baicmotor.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.08.013

U463.212+.4

B

1674-1986(2017)08-056-03