某自動變速器油底殼漏油分析與優化

謝玉琳　韋進光　黃振之　覃日錦　韋宏法

【摘? 要】油底殼作為自動變速器上非常重要的零部件，與變速器殼體之間的密封設計尤為關鍵。油底殼和變速器殼體結合面之間漏油是各汽車生產廠家面對的疑難問題，變速器油底殼漏油問題是由綜合性因素導致，必須進行系統性分析才能找到根本原因。文章通過某車型自動變速器油底殼漏油問題進行分析研究，并對裝配過程進行優化和改進，最終解決由于油底殼安裝螺栓扭矩衰減導致的漏油問題。

【關鍵詞】變速器；油底殼；漏油；密封；扭矩衰減；分析；優化

中圖分類號：U463.6? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）06-0097-02

Analysis and Optimization of Oil Spill of an Automatic Transmission Oil Pan

XIE Yu-lin WEI Jin-guang HUANG Zhen-zhi QIN Ri-jin WEI Hong-fa

（1. Kaiyue Technologies（LiuZhou）Co.，Ltd.，Liuzhou 545616；

2. SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou 545007，China）

【Abstract】As a very important part of automatic transmission，the seal design between oil pan and transmission shell is particularly critical. Oil leakage between the oil pan and the joint surface of the gearbox shell is a difficult problem faced by various automobile manufacturers. The oil leakage problem of the gearbox oil pan is caused by comprehensive factors，and it must be systematically analyzed to find the root cause. In this paper，the oil leakage problem of the oil pan of a vehicle's gearbox is comprehensively analyzed，and the assembly process is optimized and improved. Finally，the oil leakage problem caused by the torque attenuation of the oil pan installation bolt is solved.

【Key words】gearbox；oil pan；oil leak；seal；torque attenuation；analysis；optimize

油底殼是變速器潤滑系統的重要組成部分，其主要功能是儲存機油、滿足潤滑系統工作時最大循環油量，收集從變速器各摩擦副及內表面流面的潤滑油，防止潤滑油氧化。要求油底殼與變速器之間密封連接，不允許漏油[1-2]。

而一般油底殼與變速器的密封方式主要是膠條密封，其中橡膠條密封的主要設計特點是在油底殼與殼體之間設置橡膠，并通過螺栓連接將油底殼安裝在箱體上，通過螺栓的壓緊力，使得橡膠條彈性變形，從而起到密封作用。

油底殼的密封結構的功能是保證工作中不讓變速器內潤滑油流出，且保證外部的泥水、粉塵等不進入變速器內。若發生泄漏，則變速器的潤滑和冷卻功能受損，導致變速器損壞。若外部泥水、粉塵等物體進入變速器內部，則容易導致潤滑油乳化、齒輪軸承異常磨損、油道堵塞等嚴重問題。因此，變速器油底殼的密封結構的可靠性對變速器的性能以及整車的安全性有著重要的影響。

1? 故障分析

1.1? 售后故障描述

接試驗工程師反饋，試驗過程中變速器殼體與油底殼密封面存在漏油現象，且殼體與油底殼均有明顯壓痕，檢查發現油底殼安裝螺栓扭矩衰減明顯，對于橡膠密封來說，螺栓扭矩嚴重衰減必然導致密封能力不足以致漏油。

因此解決此漏油問題的關鍵在于解決油底殼螺栓扭矩衰減的問題[3]，主要應從設計角度分析原因并尋求改進措施，故障反饋圖片如圖1～圖5所示。

1.2? 故障原因分析

油底殼與變速器的密封結構如圖6所示。該車型油底殼與變速器殼體之間采用膠條密封，將帶有2條密封唇口的密封膠條放于油底殼和變速器殼體之間，再通過9顆彈墊螺栓穿過油底殼和密封膠條，將油底殼安裝在變速器殼體上以此來壓緊密封膠條，從而達到密封的效果[4]。

但此結構存在以下問題。

1）安裝螺栓后，油底殼有微變形，導致螺栓預緊力衰減，存在漏油風險[5]。

2）密封膠條只設置2條唇口數，密封效果不佳。

3）密封膠條安裝過程中定位不佳，容易出現膠條安裝不到位，部分膠條脫離油底殼，導致漏油的情況。

針對此結構，可通過有限元分析油底殼應力看油底殼螺栓安裝處是否已產生塑性變形。

2? 有限元模型的建立

2.1? 幾何模型的建立

在UG軟件中根據某車型變速器和油底殼的尺寸及相關參數對各個零部件進行建模和裝配，并對配合關系進行正確約束，建立三維實體模型，如圖7所示。本次分析僅考慮螺栓預緊工況，故為了提高計算效率，殼體只取局部跟油底殼連接部分進行分析研究，如圖8所示。

2.2? 前處理及網格劃分

將建好的三維實體模型導入CAE軟件HyperMesh中進行前處理及網格劃分。變速器殼體結構較為復雜，局部特征較多，尺寸變化大，直接對其進行有限元網格劃分會使其網格品質較差。

因此在網格劃分之前先對結構進行相應的幾何清理（對曲面進行修復，螺栓孔、加強筋、凸臺、軸承孔等在保留其基本力學特性的前提下進行簡化處理[5]），前處理完畢后對變速器殼體、油底殼、膠條、螺栓、彈性墊片進行網格劃分，除螺栓劃分6面體網格外，其他均采用4面體實體單元teramesh自動劃分4面體網格，各部件單元類型及單元尺寸如表1所示。劃分后的模型由2843196個單元、691268個節點構成。

2.3? 有限元模型的建立

零部件之間的連接條件對系統結構性能的計算精度影響較大。根據有限元軟件ABAQUS在強度分析方面的特點，對油底殼進行強度仿真時，按實際情況處理各裝配件之間的連接關系，變速器可采用固定約束，各部件之間創建接觸關系Contract，采用Bolt來模擬殼體與油底殼之間的螺栓連接并加載螺栓預緊力即可得到油底殼的有限元分析模型，如圖9所示。

油底殼由低碳鋼沖壓而成，建模時，根據其材料DC04設置材料屬性，彈性模量210GPa，泊松比0.3，密度7.89E+03kg/m3。變速器殼體由鋁合金鑄造而成，根據其材料ADC12設置材料屬性：彈性模量74GPa，泊松比0.33，密度2.76E+03kg/m3，另外，螺栓擰緊力矩5N·m，密封膠條的硬度65Hs。

3? 分析結果及結構優化

3.1? 分析結果

經CAE分析得知油底殼各螺栓孔應力均超材料屈服強度（210MPa），已產生塑性變形，與故障件吻合。其中最大應力為252MPa，應力云圖如圖10所示。

3.2? 結構優化

為解決上述出現的問題，改進變速器油底殼的密封結構，將現有產品的密封結構進行如下改進：帶彈墊螺栓組件改用6角法蘭螺栓；在螺栓安裝處增加隔套；使用改進型密封膠條；在油底殼與密封膠條之間涂粘膠。

此優化結構具備以下優越性。

1）帶彈墊螺栓組件改用6角法蘭螺栓，增加螺栓與油底殼接觸面積，降低壓潰風險，從而降低螺栓預緊力衰減。且6角法蘭螺栓的接觸面積大，不會導致油底殼等零件變形，保持螺栓的裝配預緊力，從而保證密封膠條的貼合性，保證了密封的穩定性。

2）在螺栓安裝處增加金屬隔套，設定隔套固定高度，設計理論狀態下，在螺栓壓緊力作用下，橡膠墊片被壓縮至金屬限位套兩端，分別與油底殼以及殼體剛性接觸，螺栓、油底殼、隔套及變速器殼體均為零間隙貼合，消除現有結構的螺栓預緊導致油底殼變形問題，從而使改進型密封膠條的裝配壓縮量固定，這樣不僅保證了橡膠墊片壓縮量的一致性，還能避免由于油底殼與缸體之間完全靠橡膠墊片的軟接觸，螺栓的壓緊力完全靠橡膠墊片承擔，在橡膠墊片的壓縮應力隨時間衰減之后，導致的螺栓力矩衰減問題。

3）改進型密封膠條是在現有產品結構基礎上增加一條密封唇口（3條唇口），讓密封唇口接觸應力更均勻，提高密封效果。

4）在油底殼與密封膠條之間涂粘膠，使其貼合良好，消除安裝過程中導致膠條錯位的風險。

優化后結構如圖11所示，同時，經過CAE分析得知，優化后油底殼最大應力下降至170MPa，小于材料屈服強度（210MPa），油底殼未產生塑性變形，如圖12所示。

4? 結論

本文通過系統地對漏油問題進行排查和改進措施的實施，找到了漏油問題的根本原因。經過CAE分析，驗證了油底殼產生塑性變形的問題，通過結構優化不僅能避開油底殼安裝變形問題，而且能確保密封膠條安裝到位，保持螺栓預緊力，從而切實消除漏油風險，同時還優化了密封膠條的唇口，可以使密封接觸面更加貼合，密封效果更優，漏油問題得到了很好的解決。

此優化方案雖然是針對變速器油底殼漏油問題提出的，但其理論成果具有很強的應用前景，稍加擴展便可應用于其他機械系統密封問題的分析和解決。

參考文獻：

[1] 龔亞航，向立明. 發動機油底殼的仿真分析與優化設計[J]. 內燃機與配件，2018（17）：27-28.

[2] 高迎賓，袁帥，潘效龍，等. 某柴油機油底殼仿真計算分析[J]. 內燃機與配件，2020（1）：58-59.

[3] 劉智峰. 發動機油底殼漏油原因分析及改進[J]. 內燃機與配件，2017（15）：70-71.

[4] 孫景新，楊繼光. 發動機油底殼漏油原因分析與處理[J]. 工業技術與職業教育，2016（14）：38-41.

[5] 吳洪亮，謝俠，周偉. 后背門安裝螺栓力矩衰減研究[J]. 汽車工藝與材料，2017（1）：22-25.

（編輯? 楊? 景）