自動(dòng)變速箱殼體強(qiáng)度研究

劉喜濤

(廣汽零部件有限公司技術(shù)中心，廣東廣州 510640)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，整車性能對(duì)變速箱性能提出了更高的要求。自動(dòng)變速箱作為汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的核心零部件，其性能對(duì)整車的安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、乘坐舒適性等有重大影響。因此，開展對(duì)自動(dòng)變速箱的研究顯得尤為重要。

汽車變速箱用于改變發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞到驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，其功用主要有：改變傳動(dòng)比，拓寬驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化范圍，從而適應(yīng)不同的汽車行駛條件，如原地起步、爬坡、加速等，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在有利的工況下工作；在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的前提下，設(shè)置倒擋，使汽車倒退行駛；設(shè)置空擋，切斷動(dòng)力傳遞，以便發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)起動(dòng)、怠速，便于變速箱進(jìn)行換擋操作。

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

變速箱殼體作為變速箱內(nèi)部部件的主要支撐部件，承受著較大的振動(dòng)、沖擊、噪聲等動(dòng)載荷的作用，殼體質(zhì)量直接影響變速箱的綜合性能。變速箱殼體應(yīng)有足夠強(qiáng)度抵抗發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞過來的大扭矩及車體振動(dòng)造成的載荷。為了實(shí)現(xiàn)更大的速比范圍，對(duì)變速箱性能提出了更高的要求，變速箱結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，精度要求越來越高。變速箱殼體是變速箱的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)復(fù)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(zhì)量直接影響殼體質(zhì)量。作者對(duì)變速箱殼體強(qiáng)度進(jìn)行了研究，通過對(duì)變速箱總成施加扭力，實(shí)施殼體強(qiáng)度耐久測(cè)試，測(cè)定各個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值，驗(yàn)證了變速箱殼體強(qiáng)度、疲勞損傷及壽命。強(qiáng)度耐久測(cè)試能使殼體鑄造中的氣孔、裂紋等缺陷顯現(xiàn)，從而保證殼體質(zhì)量。

1 應(yīng)力測(cè)試原理分析

應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)由電阻應(yīng)變片、測(cè)量電路、顯示與記錄儀器組成，其原理為：通過電阻應(yīng)變片，先測(cè)量出變速箱殼體表面的應(yīng)變，再根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系來確定殼體表面應(yīng)力[2]，如圖1所示。

圖1 應(yīng)變測(cè)量原理框圖

具體測(cè)試方法為：把所使用的應(yīng)變片按殼體的受力情況，合理地粘貼在被測(cè)殼體變形位置上，當(dāng)變速箱殼體受力產(chǎn)生變形時(shí)，應(yīng)變片敏感柵隨之變形，敏感柵的電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，其變化量的大小與殼體表面變形呈一定的比例關(guān)系，通過測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為與應(yīng)變呈比例的模擬信號(hào)，經(jīng)過分析處理，得到受力后的應(yīng)力應(yīng)變值。

應(yīng)變片電阻變化與產(chǎn)生的應(yīng)變之間的關(guān)系為

(1)

采用惠斯通電橋來測(cè)量電阻，如圖2所示。電阻應(yīng)變儀將應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)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(hào)進(jìn)行放大，以便指示和記錄。

圖2 惠斯通電橋測(cè)電阻原理圖

(2)

式(2)中：E為輸入電壓；e為輸出電壓；K為應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)。

此試驗(yàn)采用單臂電橋接法，應(yīng)變片采用三線式，用以補(bǔ)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(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片電阻R1變?yōu)椋?/p>

R1=R+ΔR1

(4)

應(yīng)變片變化電阻ΔR1<

(5)

測(cè)量應(yīng)變時(shí)，如果應(yīng)變片與測(cè)量裝置之間連接線較長(zhǎng)，電阻的變化導(dǎo)致應(yīng)變系數(shù)下降，需要對(duì)應(yīng)變系數(shù)進(jìn)行校正。導(dǎo)線校正系數(shù)A為：

(6)

校正后應(yīng)變系數(shù)K0為：

(7)

式(7)中：r為每1 m導(dǎo)線的往復(fù)電阻值(Ω/m)；L為導(dǎo)線長(zhǎng)度。

2 試驗(yàn)與驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)原理

將變速箱搭載到扭轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備上，扭轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備通過伺服閥控制油泵產(chǎn)生的高壓流體，并傳送給油壓馬達(dá)來產(chǎn)生回轉(zhuǎn)扭力，施加到變速箱總成上，使得變速箱殼體產(chǎn)生應(yīng)變。扭轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備構(gòu)成如圖4所示。

圖4 扭轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備構(gòu)成圖

將貼有應(yīng)變片的變速箱搭載到扭轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備上，變速箱輸出軸固定并通過扭轉(zhuǎn)機(jī)對(duì)變速箱施加輸入扭力，對(duì)變速箱總成進(jìn)行強(qiáng)度耐久測(cè)試，與此同時(shí)進(jìn)行變速箱殼體的應(yīng)變量測(cè)量，測(cè)量原理如圖5所示。

圖5 殼體強(qiáng)度測(cè)試原理圖

2.2 試驗(yàn)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(yīng)力，得到殼體應(yīng)力分布云圖，如圖6所示。

圖6 變速箱殼體應(yīng)力分布云圖

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

圖7 應(yīng)變片粘貼位置圖

組裝變速箱并將其搭載到扭轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備上，連接橋電路儀TDS530、數(shù)據(jù)計(jì)測(cè)儀NR600，完成變速箱殼體強(qiáng)度測(cè)試系統(tǒng)的搭載。測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 殼體強(qiáng)度測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

TDS530橋電路儀可以測(cè)量變形量，具有高分解能力模式以及1個(gè)通道CH可以同時(shí)測(cè)量變形量和溫度的測(cè)溫機(jī)能應(yīng)變片模式，配備完整的應(yīng)變片補(bǔ)正法，高速測(cè)量數(shù)據(jù)，防止雜波。NR600配置NR-ST04應(yīng)變測(cè)量模塊，用于應(yīng)變數(shù)據(jù)采集測(cè)量存儲(chǔ)。

設(shè)置扭轉(zhuǎn)機(jī)、計(jì)測(cè)設(shè)備等的參數(shù)，進(jìn)行變速箱殼體強(qiáng)度耐久試驗(yàn)。首先進(jìn)行慣性運(yùn)轉(zhuǎn)，慣性運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，第一次按測(cè)試模式進(jìn)行，扭力逐漸遞增到條件值，再回零，記錄測(cè)定數(shù)據(jù)。第二次直接將扭力升到條件值，再回零，依次操作，直至達(dá)到測(cè)試狀態(tài)，即應(yīng)變量為個(gè)位數(shù)。根據(jù)測(cè)試模式施加輸入扭力，實(shí)施殼體強(qiáng)度測(cè)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(jìn)行變速箱前進(jìn)擋、倒擋測(cè)試，完成強(qiáng)度耐久測(cè)試。

圖9 輸入扭力施加圖

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

處理記錄的數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)變進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，即將με轉(zhuǎn)換MPa，轉(zhuǎn)換后各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力均在變速箱殼體鋁合金材料0.2%塑性應(yīng)力規(guī)格內(nèi)。比較變速箱殼體同一測(cè)定位置的實(shí)測(cè)應(yīng)力與有限元分析得到的應(yīng)力，如圖10所示。

圖10 各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力與有限元分析應(yīng)力對(duì)比圖

實(shí)測(cè)應(yīng)力與有限元分析得到的應(yīng)力方向相同，應(yīng)力值大致相當(dāng)，從而驗(yàn)證了有限元分析模型的正確性。應(yīng)力測(cè)試得到的實(shí)測(cè)應(yīng)力值與有限元分析得到的應(yīng)力值數(shù)值有差異，究其原因，主要有以下幾點(diǎn)：(1)有限元模型施加載荷與實(shí)際載荷存在偏差；(2)有限元模型與實(shí)物存在偏差；(3)應(yīng)變片的粘貼位置與有限元分析的應(yīng)力集中位置有差異；(4)數(shù)據(jù)采集誤差。

3 結(jié)論

(1)研究了變速箱殼體強(qiáng)度耐久測(cè)試的方法，即利用應(yīng)力測(cè)定的方法進(jìn)行變速箱殼體的靜扭轉(zhuǎn)測(cè)試。通過扭轉(zhuǎn)機(jī)對(duì)變速箱總成施加扭力，測(cè)定變速箱殼體的應(yīng)變量、應(yīng)力，進(jìn)行殼體強(qiáng)度耐久測(cè)試，以驗(yàn)證殼體的強(qiáng)度。

(2)該應(yīng)力測(cè)試方法能夠驗(yàn)證有限元分析結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果表明：同一測(cè)定位置的實(shí)測(cè)應(yīng)力值及方向與有限元分析得到的應(yīng)力相當(dāng)。

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

(4)該應(yīng)力測(cè)試方法能有效保證變速箱殼體強(qiáng)度，可靠性高，操作性強(qiáng)，在汽車變速箱強(qiáng)度研究領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

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