汽車變速器殼體設計流程探討

楊軍

(廣西玉柴機器股份有限公司，廣西玉林 537005)

0 引言

變速器殼體是汽車核心零部件之一，殼體設計水平直接影響變速器的性能和可靠性。目前，變速器殼體設計主要關注以下幾個方面：(1)變速器殼體用于安裝、支承、容納變速器傳動部件、操縱機構及其他附件，變速器殼體在工作中承受復雜的載荷，殼體強度和剛度對保證軸齒正常運轉至關重要。(2)殼體結構復雜、尺寸較大，是變速器中質量最大的零件，對輕量化設計提出很高的要求。(3)變速器工作中產生的噪聲、振動和熱量絕大部分由殼體吸收和傳導，要考慮殼體在減振降噪方面的作用。(4)新能源變速器轉速較高，飛濺潤滑在很多情況下不能滿足要求，通常選擇強制潤滑，殼體內部需要設計潤滑油道。(5)新能源變速器集成電機、控制器等零部件，如何在滿足傳統設計要求的前提下，殼體設計達到緊湊、體積小、集成度高，對設計人員來說是一大挑戰。

規范、合理的設計思路和流程可幫助設計人員在設計變速器殼體時做出正確選擇，保證殼體設計水平。本文作者介紹了一種從頂層到底層的變速器殼體設計思路，對變速器殼體的設計流程、方法和要求進行了詳細的探討。

1 設計原則

設計原則為：

(1)變速器殼體設計應滿足功能要求；

(2)滿足強度和剛度要求是變速器殼體設計的重要原則；

(3)輕量化設計，嚴格控制殼體體積和質量；

(4)變速器殼體設計要考慮制造方法和工藝水平；

(5)變速器殼體設計要考慮裝配的可行性，此外，還應方便維護、修理和更換零件；

(6)變速器殼體設計要嚴格控制相關尺寸以及公差精度，確保相配合的零件之間的精確的相對位置；

(7)對于內部油路、氣路有要求的殼體，還應考慮殼體密封性。

2 設計步驟

主要設計步驟為：

(1)對變速器外部設計條件和內部設計條件進行詳細準確理解，然后設計頂層骨架，基于頂層骨架進行殼體三維建模，包括模具建模、毛坯建模、加工成品建模；

(2)殼體建模完成以后，進行結構強度、剛度計算和振動模態分析計算，根據計算結果對模型進行優化設計或對多個方案進行對比；

(3)繼續細化模型，充分考慮制造工藝性和經濟性，最后設計二維圖紙提供生產加工。

殼體設計流程如圖1所示。

圖1 變速器殼體設計流程

3 設計過程

變速器殼體設計前需要確定一些外部和內部的邊界條件，如安裝空間、各結合面尺寸規格、各安裝接口、軸齒系統布置、操縱系統布置、潤滑與密封系統布置等。以某新能源汽車變速器為例，主要的設計輸入條件如表1所示。

表1 變速器殼體設計輸入條件

3.1 殼體合套形式和材料

(1)殼體合套形式

常用的殼體合套形式有前后合套和上下合套兩種。根據傳動系統的布置結構進行選擇，需要考慮裝配工藝方案。

(2)殼體材料

設計初期可以初步確定殼體材料，以便開展初步的整機質量評估、供應商對接、成本分析等工作。

變速器殼體材料常用的材料是鑄鐵和鑄鋁。考慮輕量化要求，目前常選用鑄鋁材料[1]。鑄鋁殼體熱處理工藝通常采用固溶處理和完全人工時效T6。其中人工時效的目的是在不降低力學性能的前提下，使材料內應力和機加工切削應力得到消除或穩定，以減少長期使用中的變形，保證幾何精度。

3.2 頂層骨架設計

搭建變速器頂層骨架。在三維建模軟件中將軸齒系統、操縱系統、潤滑系統和輸入輸出接口等內外部條件的關鍵信息、關鍵位置建立基準坐標系、基準面、基準軸和基準草圖，作為殼體設計建模的骨架。骨架與殼體三維模型相互關聯，更改骨架即可調整殼體三維模型。在設計過程中，內外部設計條件、頂層骨架、變速器殼體模型需要動態地進行相互調整和匹配，頂層骨架即為設計條件與殼體設計之間的相互聯系的橋梁，這就是基于頂層到底層的設計方法[2]。

變速器頂層骨架建立如圖2所示。

圖2 殼體頂層骨架設計

3.3 主體特征構建

導入骨架作為殼體設計基準，繪制殼體主體外形輪廓，添加主要結構特征，形成主要的結構實體。

殼體形狀比較復雜，設計時應該先抽象出其主要的特征，然后逐步增加其他特征。殼體形腔一般都呈不規則曲面變化，用簡單的拉伸剪切命令很難實現，可以在骨架中建立輪廓曲線作為腔體截面，起始和終止的截面為殼體兩端面，確定掃描方向和軌跡，使用掃描實現外輪廓建模，如圖3所示。

圖3 殼體主體特征建模

3.4 重要特征構建

繪制殼體上的重要特征，如前結合面、后結合面、電機安裝面等一些形體特征。在繪制這些特征時要考慮拔模方向并做出拔模角，并將這些實體與主體特征合并，如圖4所示。

圖4 構建重要特征

3.5 內腔建模成殼

設計殼體內腔模型。首先，殼體內壁與運動部件，如齒輪、齒套、撥叉、叉軸等零件之間的間隙要滿足要求；另外，殼體內壁與靜止部件之間的間隙、殼體底部儲油高度也需要確定。其次，殼體壁厚在保證殼體有足夠強度和剛度的前提下，盡量減小壁厚并保持截面的均勻一致，盡量避免截面壁厚突變，截面厚薄變化大的位置，易形成縮孔或裂紋等鑄造缺陷。

內腔模型建立完成后，將主體模型與內腔模型相減，形成初步的殼體模型，如圖5所示。

圖5 形成殼體概念模型

3.6 細部特征構建

設計細部特征，如前后端結合面、其他零部件安裝結合面、取力器口、懸置與支架凸臺、螺栓孔柱、Logo等，如圖6所示。

圖6 設計細部特征

3.6.1 殼體結合面設計及螺栓孔布置

(1)殼體一般由螺栓聯接固定，設計聯接結構時，應盡可能提高聯接剛度，確保變速器工作過程中結合面緊密結合。一般情況下，增加聯接螺栓數量比增加螺栓直徑對于提高聯接剛度的效果要好；螺栓間距需要根據箱體結構布置、受力方向、螺栓規格等確定。兩螺栓的連線稱為壓力線，壓力線應盡量落在結合面的中心線上[3]，如圖7所示。

圖7 螺栓布置設計

(2)適當加大結合面的壁厚也可以提高聯接剛度。

(3)為了保證密封性，結合面應保證一定寬度。結合面要保證粗糙度、平面度和平行度。

(4)必須考慮螺栓緊固工具的安裝空間，比如扳手、套筒等所需的安裝空間。

3.6.2 加強筋設計

加強筋的作用主要是增加殼體強度和剛度。此外，合理的加強筋的布置還有利于箱體散熱。

加強筋的厚度選取應適中，筋太薄則強度剛度不足，筋太厚則增加質量，且易導致鑄造缺陷。加強筋厚度一般不低于壁厚[4]。

軸承孔處受力較大，需要保證足夠的剛度，以保證傳動系統配合精度，因此軸承孔周圍通常布置較多的加強筋。螺栓孔凸臺周圍、結合安裝面周圍通常也布置加強筋。

加強筋設計除借助經驗和參考對標機型外，還可以借助CAE輔助設計。

3.6.3 油道設計

新能源變速器齒輪由于轉速高，推薦采用主動強制潤滑方式，通過殼體油道和油管把潤滑油輸送到需要潤滑的部位。殼體油道盡可能設計成直線形或流線形，盡可能避免潤滑油流向的突然改變，以減少流體阻力。潤滑油道或油槽可以在殼體模具上鑄造出來，但有時會導致鑄造缺陷；油道也可以加工出來，但增加加工成本。設計時需要折中考慮，選取最佳方案。

3.6.4 懸置點設計

懸置點的位置選擇和連接螺栓布置要考慮整個動力總成模態分析情況，另外還要考慮系列車型通用化問題。螺栓凸臺要使用三角形網狀筋加強，以降低應力集中帶來的風險，如圖8所示。

圖8 懸置點設計

3.7 模型完善

檢查殼體是否構建完整，是否滿足內外部設計條件要求。最后用不同顏色為殼體標示加工面，殼體三維建模完成，如圖9所示。

圖9 加工面標示

3.8 分析計算

(1)強度計算。評價殼體強度是否符合設計要求；

(2)剛度計算。評價殼體變形量是否符合設計要求；

(3)結合面接觸滑移計算。評價結合面密封性；

(4)疲勞強度計算。評價殼體在交變載荷下的疲勞強度是否符合設計要求；

(5)模態計算。評價殼體NVH特性。

3.9 繪制二維圖

根據設計手冊、工程規范、設計經驗等資料，繪制殼體二維圖，主要確定定位基準、尺寸和配合公差、形位公差、各加工面粗糙度、標識、清潔度、包裝和檢測要求等要求。二維圖完成后提供生產單位進行加工制造。

4 結束語

文中介紹了變速器殼體設計流程，從頂層骨架搭建，到底層細節特征建立，一整套規范化的設計流程不僅可以保證產品設計水平，也能夠縮短開發周期，減少設計人員工作量，提高設計效率為變速器殼體設計提供參考。