自動變速箱殼體強度研究

劉喜濤

(廣汽零部件有限公司技術中心，廣東廣州 510640)

0 引言

隨著汽車工業的發展，整車性能對變速箱性能提出了更高的要求。自動變速箱作為汽車傳動系統的核心零部件，其性能對整車的安全性、燃油經濟性、動力性、乘坐舒適性等有重大影響。因此，開展對自動變速箱的研究顯得尤為重要。

汽車變速箱用于改變發動機傳遞到驅動輪上的轉矩和轉速，其功用主要有：改變傳動比，拓寬驅動輪轉矩和轉速的變化范圍，從而適應不同的汽車行駛條件，如原地起步、爬坡、加速等，使得發動機在有利的工況下工作；在不改變發動機轉速的前提下，設置倒擋，使汽車倒退行駛；設置空擋，切斷動力傳遞，以便發動機能夠實現起動、怠速，便于變速箱進行換擋操作。

目前，主流汽車采用的自動變速箱主要分為4類：液力自動變速箱(Automatic Transmission，AT)、電控機械式自動變速箱(Automated Transmission，AMT)、雙離合器自動變速箱(Dual Clutch Transmission，DCT)和無級自動變速箱(Continuously Variable Transmission，CVT)[1]。

變速箱殼體作為變速箱內部部件的主要支撐部件，承受著較大的振動、沖擊、噪聲等動載荷的作用，殼體質量直接影響變速箱的綜合性能。變速箱殼體應有足夠強度抵抗發動機傳遞過來的大扭矩及車體振動造成的載荷。為了實現更大的速比范圍，對變速箱性能提出了更高的要求，變速箱結構不斷改進，結構也越來越復雜，精度要求越來越高。變速箱殼體是變速箱的關鍵部件，其結構復雜，加工精度要求極為苛刻。為滿足輕量化要求，變速箱殼體多采用鋁合金壓鑄成型，壓鑄毛坯質量直接影響殼體質量。作者對變速箱殼體強度進行了研究，通過對變速箱總成施加扭力，實施殼體強度耐久測試，測定各個測點應力值，驗證了變速箱殼體強度、疲勞損傷及壽命。強度耐久測試能使殼體鑄造中的氣孔、裂紋等缺陷顯現，從而保證殼體質量。

1 應力測試原理分析

應變測試系統由電阻應變片、測量電路、顯示與記錄儀器組成，其原理為：通過電阻應變片，先測量出變速箱殼體表面的應變，再根據應力、應變的關系來確定殼體表面應力[2]，如圖1所示。

圖1 應變測量原理框圖

具體測試方法為：把所使用的應變片按殼體的受力情況，合理地粘貼在被測殼體變形位置上，當變速箱殼體受力產生變形時，應變片敏感柵隨之變形，敏感柵的電阻值發生相應變化，其變化量的大小與殼體表面變形呈一定的比例關系，通過測量電路轉換為與應變呈比例的模擬信號，經過分析處理，得到受力后的應力應變值。

應變片電阻變化與產生的應變之間的關系為

(1)

采用惠斯通電橋來測量電阻，如圖2所示。電阻應變儀將應變片的電阻變化轉化為電壓或電流的變化，然后通過放大器將微弱的電壓信號進行放大，以便指示和記錄。

圖2 惠斯通電橋測電阻原理圖

(2)

式(2)中：E為輸入電壓；e為輸出電壓；K為應變片的靈敏度系數。

此試驗采用單臂電橋接法，應變片采用三線式，用以補償溫度引起的電阻的變化，如圖3所示。

圖3 單臂電橋及電橋接法圖

在電橋上各電阻相等的情況下，即有

R1=R2=R3=R4=R

(3)

變速箱殼體產生應變時，應變片電阻R1變為：

R1=R+ΔR1

(4)

應變片變化電阻ΔR1<

(5)

測量應變時，如果應變片與測量裝置之間連接線較長，電阻的變化導致應變系數下降，需要對應變系數進行校正。導線校正系數A為：

(6)

校正后應變系數K0為：

(7)

式(7)中：r為每1 m導線的往復電阻值(Ω/m)；L為導線長度。

2 試驗與驗證

2.1 試驗原理

將變速箱搭載到扭轉機設備上，扭轉機設備通過伺服閥控制油泵產生的高壓流體，并傳送給油壓馬達來產生回轉扭力，施加到變速箱總成上，使得變速箱殼體產生應變。扭轉機設備構成如圖4所示。

圖4 扭轉機設備構成圖

將貼有應變片的變速箱搭載到扭轉機設備上，變速箱輸出軸固定并通過扭轉機對變速箱施加輸入扭力，對變速箱總成進行強度耐久測試，與此同時進行變速箱殼體的應變量測量，測量原理如圖5所示。

圖5 殼體強度測試原理圖

2.2 試驗過程

利用有限元分析軟件，建立有限元模型[3-6]，分析在輸入扭力工況下變速箱殼體應力，得到殼體應力分布云圖，如圖6所示。

圖6 變速箱殼體應力分布云圖

根據應力分布云圖，可以確定變速箱殼體應力集中處。在應力集中處粘貼應變片，具體粘貼位置如圖7所示。

圖7 應變片粘貼位置圖

組裝變速箱并將其搭載到扭轉機設備上，連接橋電路儀TDS530、數據計測儀NR600，完成變速箱殼體強度測試系統的搭載。測試系統實物圖如圖8所示。

圖8 殼體強度測試系統實物圖

TDS530橋電路儀可以測量變形量，具有高分解能力模式以及1個通道CH可以同時測量變形量和溫度的測溫機能應變片模式，配備完整的應變片補正法，高速測量數據，防止雜波。NR600配置NR-ST04應變測量模塊，用于應變數據采集測量存儲。

設置扭轉機、計測設備等的參數，進行變速箱殼體強度耐久試驗。首先進行慣性運轉，慣性運轉時，第一次按測試模式進行，扭力逐漸遞增到條件值，再回零，記錄測定數據。第二次直接將扭力升到條件值，再回零，依次操作，直至達到測試狀態，即應變量為個位數。根據測試模式施加輸入扭力，實施殼體強度測試，輸入扭力從0、669、1 388 N·m……升至3 837 N·m后降至0 N·m，如圖9所示。在差速器不同相位的條件下分別進行變速箱前進擋、倒擋測試，完成強度耐久測試。

圖9 輸入扭力施加圖

2.3 試驗結果分析

處理記錄的數據，對應變進行單位轉換，即將με轉換MPa，轉換后各測點應力均在變速箱殼體鋁合金材料0.2%塑性應力規格內。比較變速箱殼體同一測定位置的實測應力與有限元分析得到的應力，如圖10所示。

圖10 各測點實測應力與有限元分析應力對比圖

實測應力與有限元分析得到的應力方向相同，應力值大致相當，從而驗證了有限元分析模型的正確性。應力測試得到的實測應力值與有限元分析得到的應力值數值有差異，究其原因，主要有以下幾點：(1)有限元模型施加載荷與實際載荷存在偏差；(2)有限元模型與實物存在偏差；(3)應變片的粘貼位置與有限元分析的應力集中位置有差異；(4)數據采集誤差。

3 結論

(1)研究了變速箱殼體強度耐久測試的方法，即利用應力測定的方法進行變速箱殼體的靜扭轉測試。通過扭轉機對變速箱總成施加扭力，測定變速箱殼體的應變量、應力，進行殼體強度耐久測試，以驗證殼體的強度。

(2)該應力測試方法能夠驗證有限元分析結果，試驗結果表明：同一測定位置的實測應力值及方向與有限元分析得到的應力相當。

(3)根據文中施加扭力的測試方法，完成變速箱殼體的強度耐久測試，能有效驗證變速箱殼體的疲勞損傷及壽命。

(4)該應力測試方法能有效保證變速箱殼體強度，可靠性高，操作性強，在汽車變速箱強度研究領域具有很高的應用價值。

參考文獻:

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