自動變速器內部固定機構研究

李佳朦，張東亮，姚文博，譚艷軍，林霄喆

(寧波上中下自動變速器有限公司，浙江寧波 315800)

0 引言

雙離合自動變速器(DCT)具有傳動效率高、無動力中斷、操作便利等優點[1]，目前已在國內車型中得到了廣泛應用，在變速器市場中占有率日漸提高。同時，由于DCT相比于手動變速器(MT)結構更復雜、體積更大、對殼體結構要求更高[2]，因此在變速器設計時應充分考慮各種工況下變速器殼體及固定機構的強度設計，提高變速器設計的可靠性。本文作者針對某自動變速器機型在開發過程中的實際案例進行了大量的試驗研究，通過有限元分析得到了駐車工況下殼體不同部位的應力分布，并針對其薄弱部位進行了改善，使其滿足設計要求。

1 殼體固定結構設計準則

殼體作為變速器尺寸最大的關鍵結構件，其內外包含變速器所有重要的零部件[3]。殼體在變速器工作時承受復雜的載荷，使得殼體不同部位受到附加的彎曲及扭曲變形，因此殼體必須具有足夠的剛度才能抵抗受載時的扭曲變形，為齒輪精確嚙合提供保障[3]。同時，為保證軸承工作可靠，軸承座必須有足夠的剛度。由于DCT結構功能復雜，除滿足像傳統MT的齒輪嚙合及軸承正常工作外，還需滿足撥叉、撥叉軸、駐車、電液執行機構等功能的工作可靠性及耐久性。

不同工況下，變速器殼體不同部位承受額外的剪切力。因此，應合理設計殼體結構，以滿足殼體的強度和剛度要求?？紤]到殼體應力分布情況[4]，可通過增大局部受力集中處的壁厚，以防止出現過大變形，如增加軸承支撐面厚度和殼體接合面厚度，也可通過在主要受力處設置加強筋，或合理布置箱體接合面螺栓等方式來提升殼體強度和剛度，以保證變速器及整車的安全運行。

對殼體而言，除具備輕質量高強度外，還應滿足振動要求。變速器在工作過程中由于齒輪嚙合會產生噪聲[4]，經殼體傳入駕駛艙影響駕駛體驗。駐車機構在P擋脫出時由于棘爪敲擊容易產生振動和噪聲[5]。變速器大多采用階梯式設計來實現殼體的減振降噪。

2 固定結構有限元分析及優化設計

由于自動變速器(DCT)需高度集成化以滿足變速器整車空間布置要求，同時由于自動變速器內部結構模塊化，機電、液、氣高度集成化，故而自動變速器殼體結構復雜，曲面多變，所以對變速器殼體結構布置合理性、強度耐久性要求更高。因此，使用傳統的力學計算方法，無法準確識別殼體局部應力，而有限元分析(圖1)可對殼體進行精確的應力及應變識別，對薄弱部位進行針對性優化。

圖1 前后殼體有限元模型

由于DCT高度集成了齒輪傳動、換擋、駐車等功能，因此變速器殼體設計初期應充分考慮每個功能模塊在不同工況下的受力情況。圖2和圖3分別為變速器殼體設計初期在駐車工況下其內腔體與外壁的應變分析結果。根據結果顯示，殼體內腔體與外壁應變均滿足小于0.5%的要求。

圖2 殼體內腔體應變分布

圖3 殼體外壁應變分布

在某自動變速器初期開發時按照以上分析結果來制作軟模件進行開發，在變速器整車駐車試驗30%坡度及濫用工況過程中出現變速器漏油現象。經排查發現定位銷脫出，且脫落至變速器內部，將變速殼體擠破導致滲油。駐車機構的駐車軸、螺栓及定位銷受力分析如圖4所示。

圖4 駐車機構受力分析

通過分析調查發現，在開發初期進行殼體強度設計時忽略了駐車機構在工作時通過棘爪傳遞至駐車壓板的作用力，然后通過駐車壓板傳遞至殼體。經有限元分析，發現殼體駐車定位銷安裝孔應變超出了殼體材料(ADC12)的屈服(140 MPa)及抗拉強度極限(240 MPa)。當進行駐車耐久專項試驗時，定位銷孔承受往復載荷，因此殼體孔發生塑性變形，導致定位銷脫出。

根據CAE分析結果，對該薄弱環節進行針對性優化。結合殼體內部空間局限及駐車系統功能最終確定從根源改善此問題。通過增大駐車回轉軸與駐車壓板間隙，減小定位銷受力以及傳遞至殼體孔的作用力，從而減小殼體銷孔應變。

根據試驗得到定位銷受力-駐車軸與駐車壓板間隙變化曲線如圖5所示，由圖可知，增大駐車軸與駐車壓板間隙，定位銷在X、Y、Z軸方向上受到的作用力均減小。

圖5 定位銷受力-駐車軸與駐車壓板間隙變化曲線

如圖6所示，間隙增大至0.3 mm與未改善時的定位銷孔應力分布進行對比，改善效果較為明顯，且應變小于0.5%，定位銷孔應變滿足殼體材料ADC12力學性能。經整車及臺架專項駐車驗證，增大駐車軸與駐車壓板間隙可有效解決該問題。

圖6 增大間隙前后殼體銷孔應變對比

3 結束語

文中結合某變速器殼體設計過程中的實際案例，通過有限元分析得到了駐車工況下殼體不同部位的應力分布，并針對其薄弱部位進行了改善。根據CAE分析結果，得到的結論如下：

(1)在駐車上、下坡工況下，殼體內腔體及外壁應變均小于0.5%，滿足要求；

(2)在變速器整車駐車試驗30%坡度及濫用工況下，通過增加駐車回轉軸與駐車壓板間隙可有效減小作用于殼體銷孔上的力，解決了殼體孔變形及定位銷脫出問題。

文中研究了變速器內部零部件的固定方式，在設計固定方式時應充分評估每個部件的功能，分析殼體上對應位置的應力應變，減少因模型分析階段評估不充分導致的失效及殼體模具修模產生的費用。