兩擋AMT換擋執行機構殼體可靠性研究

范文杰，桂經良，沈兆樹，李加軍，張 楠

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

換擋執行機構根據動力源不同，可分為電控電動式、電控液動式和電控氣動式[1]。其中，電控電動式因可控性好、結構緊湊、傳動效率高等優勢受到越來越多的重視[2]。對于電控電動換擋執行機構來說，其殼體起著固定換擋電機及內部組件的作用，是連接傳動件與變速器的橋梁。殼體的可靠性直接影響著車輛在運行過程中的換擋可靠性和行車安全性，因此，在模型定型之前必須對殼體的可靠性進行驗證。

傳統零部件的可靠性主要通過試驗的方法進行驗證，周期長、成本高，嚴重制約著產品的開發效率[3]。隨著計算機性能的不斷提高，有限元仿真方法在機械開發領域的應用越來越廣泛，有限元仿真方法是傳統試驗方法的有效補充[4]。本文主要論述了兩擋AMT電動換擋執行機構殼體的分析和驗證過程，通過對執行機構殼體進行受力分析，明確了殼體上應力較大的區域；然后采用有限元仿真的方法對殼體強度進行校核，計算得到殼體的模態以及隨機振動過程中殼體的應力分布；最后通過對殼體進行振動試驗驗證了其結構的可靠性。采用理論分析、仿真和試驗相結合的方式大大提高了開發效率，縮短了研發周期。

1 受力分析

兩擋AMT換擋執行機構主要由執行機構殼體（以下簡稱殼體）、滾珠絲杠組件、換擋指、導向桿、換擋電機、角度位移傳感器以及軸承、螺釘等組成，實物模型如圖1所示。

圖1 換擋執行機構實物圖

換擋執行機構安裝在變速器上，在車輛行駛過程中除了承受自身重力的作用外，還受到螺栓預緊對殼體產生的壓力、變速器振動激勵產生的慣性力以及變速器對執行機構的支撐力。圖2是慣性力方向向下時執行機構的主要受力情況。

圖2 換擋執行機構主要受力示意圖

換擋電機安裝在殼體上類似于懸臂梁結構，在實際運行過程中會產生較大幅度的振動，這就要求固定電機的殼體必須有足夠大的強度。圖3為慣性力方向向下時殼體和電機的受力示意圖。由圖3可知，殼體結合面除受到面與面接觸產生的摩擦力的作用外，還受到來自螺栓的拉力以及電機壓力的作用。其中，拉力主要集中在螺栓孔周圍，而壓力則分布在整個殼體結合面上，這就造成結合面上不同區域沿水平方向的載荷分布不均勻，容易產生應力集中現象。殼體與電機結合面上應力較大的區域有發生壓潰的風險，需要重點關注。

圖3 殼體和電機受力分析示意圖

此外，當慣性力方向為垂直于電機軸線的水平方向，即電機發生沿水平方向的振動時，殼體受到電機和螺栓的拉力如圖4所示。此時固定電機的兩個螺栓拉力大小不同，且與慣性力方向相反一側的螺栓拉力較大，由于殼體壁厚較薄，在螺栓拉力較大的一側殼體肋部同樣存在失效風險。

圖4 殼體主要受力及易失效區域示意圖

2 有限元仿真

2.1 數值模型的建立

根據計算需求對換擋執行機構模型進行簡化。本文主要分析變速器振動對殼體造成的影響，因此在有限元模型中忽略了換擋指、導向桿及軸承等運動組件。簡化后的模型主要由執行機構殼體、換擋電機以及滾珠絲杠組成。其中，換擋電機模型包含電機殼體和電機輸出軸。電機輸出軸與滾珠絲杠連接，滾珠絲杠另一端與殼體連接；電機與殼體通過兩個M8×25螺栓緊固連接；在殼體下端建立一個固定板模型代替變速器，殼體和固定板通過4個M8×80×1螺栓緊固連接。簡化后的執行機構有限元模型如圖5所示。

圖5 換擋執行機構有限元模型

換擋執行機構各個零部件的材料參數如表1所示。電機模型中各個零部件密度根據電機質量及質心坐標換算得出。

表1 各零部件材料參數

為了提高計算精度，單元類型選擇10節點四面體二次修正單元（C3D10M）；殼體與電機、殼體與滾珠絲杠、滾珠絲杠與電機輸出軸以及電機內部零部件之間定義摩擦接觸，螺栓與固定件之間定義綁定連接。模型接觸設置如圖6所示。

圖6 接觸設置

螺栓規格參數如表2所示。

表2 螺栓參數表

2.2 計算結果

2.2.1 模態仿真

任何結構都有自身的固有特性，包括頻率、阻尼、振型等，模態分析就是根據結構的這些固有特性來對結構特點進行描述和評價的一種方法[5]。模態分析能夠計算出結構的固有頻率，并通過對結構進行優化使結構的固有頻率避開工作頻率，最終達到避免發生共振的效果，模態分析是其他動力學仿真的基礎[6]。本文計算了換擋執行機構在約束狀態下的模態，表3列出了殼體前6階模態對應的固有頻率，圖7為前6階模態對應的振型圖。

圖7 前6階模態振型圖

由表3可知，殼體的第一階固有頻率為613.79Hz，該頻率大于執行機構工作時對應的最高頻率，系統固有頻率滿足實際振動要求。振型圖顯示殼體與電機連接端附近振動明顯，振幅較大，而殼體后半部分振動幅度則相對較弱。這是由于電機是懸臂梁結構，在振動過程中電機由于受到慣性力的作用振幅較大，同時帶動殼體上靠近電機端的區域發生比較明顯的形變。

表3 前6階模態計算結果

2.2.2 隨機振動仿真

隨機振動是指未來任意時刻的瞬時值不能預先確定的機械振動，無法用確定函數而須用概率統計的方法定量描述其運動規律的振動[7]。換擋執行機構在車輛行駛過程中受變速器激勵做不規則的隨機振動。國標《GB/T 28046.3—2011道路車輛電氣及電子設備的環境條件和試驗第3部分：機械負荷》[8]規定了電氣及電子設備安裝在車上不同位置時的振動參數和試驗要求，能夠比較準確地模擬出換擋執行機構在受到外界激勵時的振動情況。根據國標[8]中規定的內容對執行機構模型進行仿真計算，隨機振動PSD載荷譜如表4所示。

表4 PSD載荷譜

對殼體沿X、Y、Z這3個方向進行隨機振動仿真計算，其中，X方向為與電機平行方向，Y方向為與X方向垂直的水平方向，Z方向為豎直方向。通過計算得到殼體在隨機振動載荷激勵下的RMISES應力值，并將得到的結果與材料的屈服強度進行對比，最終確定模型的強度是否滿足要求。3個方向下的RMISES應力分布云圖如圖8所示。

由圖8可以看出，殼體沿X、Y、Z這3個方向做隨機振動時RMISES最大應力值分別為8.42MPa、24.34MPa和61.91MPa，均小于殼體材料的屈服強度246MPa，且安全系數較高。由于螺栓預緊力的作用，殼體與電機結合面無法保持完全平整，在結合面上凸起的地方產生了應力集中現象，且應力較大區域相對于結合面中心呈對稱分布；當沿Y方向振動時，殼體肋部應力也較大（紅色圓圈處），這與第1章中圖4所分析的位置相吻合。

圖8 隨機振動3個方向RMISES應力分布云圖

3 振動試驗

仿真結果顯示換擋執行機構殼體強度滿足隨機振動要求，為了確保仿真結果的準確性，采用試驗的方法對殼體強度進行驗證。將組裝好的執行機構以實際安裝方式固定在振動試驗臺上，執行機構在振動試驗臺上的固定如圖9所示。試驗過程中檢測項目及目的如表5所示。

表5 試驗項目和目的

按照國標[8]中的測試要求，每個方向各振動94h。

振動試驗完成后，對執行機構進行拆檢，檢查執行機構殼體不同部位是否存在裂紋、破損等機械性損傷，拆檢后的結構如圖10所示。通過仔細檢查，殼體外觀與內部結構均無損傷，說明殼體強度滿足振動試驗要求。

4 總結

本文以兩擋AMT換擋執行機構殼體為研究對象，分析了殼體在實際工作過程中的受力情況并采用有限元仿真的方法對殼體強度進行校核，最后通過振動試驗對模型可靠性進行驗證，結論如下。

圖10 完成振動試驗的殼體外觀圖

1）根據執行機構的結構特點并結合其在變速器上的安裝方式，分析了殼體所承受的載荷并指出在不同方向載荷作用下殼體容易發生失效破壞的位置，為后續的仿真分析提供了理論依據。

2）殼體第一階頻率大于執行機構在實際工作中對應的最高頻率，殼體結構能夠有效避免共振的發生。此外，隨機振動計算結果顯示沿3個方向振動時殼體最大RMISES應力值均未超過材料的屈服強度，殼體強度滿足設計要求。

3）振動試驗結果表明，試驗完成后殼體外觀及內部結構沒有任何損傷，殼體結構設計合理，殼體強度滿足實際工況需求。

本文采用理論分析、有限元仿真和振動試驗相結合的方式驗證了兩擋AMT換擋執行機構殼體強度滿足設計要求，為模型的最終定型提供了依據，節約了成本和時間。