自動(dòng)變速器內(nèi)部固定機(jī)構(gòu)研究

李佳朦，張東亮，姚文博，譚艷軍，林霄喆

(寧波上中下自動(dòng)變速器有限公司，浙江寧波 315800)

0 引言

雙離合自動(dòng)變速器(DCT)具有傳動(dòng)效率高、無動(dòng)力中斷、操作便利等優(yōu)點(diǎn)[1]，目前已在國內(nèi)車型中得到了廣泛應(yīng)用，在變速器市場中占有率日漸提高。同時(shí)，由于DCT相比于手動(dòng)變速器(MT)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、體積更大、對(duì)殼體結(jié)構(gòu)要求更高[2]，因此在變速器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮各種工況下變速器殼體及固定機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，提高變速器設(shè)計(jì)的可靠性。本文作者針對(duì)某自動(dòng)變速器機(jī)型在開發(fā)過程中的實(shí)際案例進(jìn)行了大量的試驗(yàn)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(yīng)力分布，并針對(duì)其薄弱部位進(jìn)行了改善，使其滿足設(shè)計(jì)要求。

1 殼體固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

殼體作為變速器尺寸最大的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，其內(nèi)外包含變速器所有重要的零部件[3]。殼體在變速器工作時(shí)承受復(fù)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(shí)的扭曲變形，為齒輪精確嚙合提供保障[3]。同時(shí)，為保證軸承工作可靠，軸承座必須有足夠的剛度。由于DCT結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜，除滿足像傳統(tǒng)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(zhí)行機(jī)構(gòu)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(yīng)合理設(shè)計(jì)殼體結(jié)構(gòu)，以滿足殼體的強(qiáng)度和剛度要求。考慮到殼體應(yīng)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(xiàn)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(shè)置加強(qiáng)筋，或合理布置箱體接合面螺栓等方式來提升殼體強(qiáng)度和剛度，以保證變速器及整車的安全運(yùn)行。

對(duì)殼體而言，除具備輕質(zhì)量高強(qiáng)度外，還應(yīng)滿足振動(dòng)要求。變速器在工作過程中由于齒輪嚙合會(huì)產(chǎn)生噪聲[4]，經(jīng)殼體傳入駕駛艙影響駕駛體驗(yàn)。駐車機(jī)構(gòu)在P擋脫出時(shí)由于棘爪敲擊容易產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲[5]。變速器大多采用階梯式設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)殼體的減振降噪。

2 固定結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于自動(dòng)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(shí)由于自動(dòng)變速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)模塊化，機(jī)電、液、氣高度集成化，故而自動(dòng)變速器殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，曲面多變，所以對(duì)變速器殼體結(jié)構(gòu)布置合理性、強(qiáng)度耐久性要求更高。因此，使用傳統(tǒng)的力學(xué)計(jì)算方法，無法準(zhǔn)確識(shí)別殼體局部應(yīng)力，而有限元分析(圖1)可對(duì)殼體進(jìn)行精確的應(yīng)力及應(yīng)變識(shí)別，對(duì)薄弱部位進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化。

圖1 前后殼體有限元模型

由于DCT高度集成了齒輪傳動(dòng)、換擋、駐車等功能，因此變速器殼體設(shè)計(jì)初期應(yīng)充分考慮每個(gè)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(shè)計(jì)初期在駐車工況下其內(nèi)腔體與外壁的應(yīng)變分析結(jié)果。根據(jù)結(jié)果顯示，殼體內(nèi)腔體與外壁應(yīng)變均滿足小于0.5%的要求。

圖2 殼體內(nèi)腔體應(yīng)變分布

圖3 殼體外壁應(yīng)變分布

在某自動(dòng)變速器初期開發(fā)時(shí)按照以上分析結(jié)果來制作軟模件進(jìn)行開發(fā)，在變速器整車駐車試驗(yàn)30%坡度及濫用工況過程中出現(xiàn)變速器漏油現(xiàn)象。經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)定位銷脫出，且脫落至變速器內(nèi)部，將變速殼體擠破導(dǎo)致滲油。駐車機(jī)構(gòu)的駐車軸、螺栓及定位銷受力分析如圖4所示。

圖4 駐車機(jī)構(gòu)受力分析

通過分析調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在開發(fā)初期進(jìn)行殼體強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)忽略了駐車機(jī)構(gòu)在工作時(shí)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(jīng)有限元分析，發(fā)現(xiàn)殼體駐車定位銷安裝孔應(yīng)變超出了殼體材料(ADC12)的屈服(140 MPa)及抗拉強(qiáng)度極限(240 MPa)。當(dāng)進(jìn)行駐車耐久專項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，定位銷孔承受往復(fù)載荷，因此殼體孔發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致定位銷脫出。

根據(jù)CAE分析結(jié)果，對(duì)該薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化。結(jié)合殼體內(nèi)部空間局限及駐車系統(tǒng)功能最終確定從根源改善此問題。通過增大駐車回轉(zhuǎn)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(yīng)變。

根據(jù)試驗(yàn)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(shí)的定位銷孔應(yīng)力分布進(jìn)行對(duì)比，改善效果較為明顯，且應(yīng)變小于0.5%，定位銷孔應(yīng)變滿足殼體材料ADC12力學(xué)性能。經(jīng)整車及臺(tái)架專項(xiàng)駐車驗(yàn)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(yīng)變對(duì)比

3 結(jié)束語

文中結(jié)合某變速器殼體設(shè)計(jì)過程中的實(shí)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(yīng)力分布，并針對(duì)其薄弱部位進(jìn)行了改善。根據(jù)CAE分析結(jié)果，得到的結(jié)論如下：

(1)在駐車上、下坡工況下，殼體內(nèi)腔體及外壁應(yīng)變均小于0.5%，滿足要求；

(2)在變速器整車駐車試驗(yàn)30%坡度及濫用工況下，通過增加駐車回轉(zhuǎn)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(nèi)部零部件的固定方式，在設(shè)計(jì)固定方式時(shí)應(yīng)充分評(píng)估每個(gè)部件的功能，分析殼體上對(duì)應(yīng)位置的應(yīng)力應(yīng)變，減少因模型分析階段評(píng)估不充分導(dǎo)致的失效及殼體模具修模產(chǎn)生的費(fèi)用。