作者：陳一峰丨上海汽車變速器有限公司

1 引言

變速器潤滑油在整個變速器中有著不可或缺的作用，潤滑油用于變速器內(nèi)部的齒軸、軸承等零部件以減少摩擦，主要有潤滑、冷卻、抗腐蝕防銹、清凈沖洗、動能傳遞、密封和應(yīng)力分散緩沖等作用。因此，一旦在變速器工作過程中發(fā)生潤滑油的泄漏，變速器在工作狀態(tài)中的性能將受到影響，甚至?xí)a(chǎn)生因潤滑不良而齒輪抱死等故障，從而導(dǎo)致行車的安全性問題。因此，變速器的密封性也是變速器殼體設(shè)計中的重要指標(biāo)之一。絕大多數(shù)整車廠對此也有嚴格的考核標(biāo)準(zhǔn)。

2 變速器殼體結(jié)合面密封性能有限元分析

2.1 問題描述

某項目的變速器在pt耐久的試驗中發(fā)現(xiàn)變速器殼體有漏油滲油現(xiàn)象，經(jīng)過使用熒光劑，可以判斷漏油位置如圖1所示(圖中綠色熒光劑部分)。因此，對殼體的結(jié)合面進行了有限元密封性分析，找出漏油的具體位置并對殼體密封面行進有效的優(yōu)化，以改善密封效果。

2.2 接觸應(yīng)力計算的有限元基礎(chǔ)

假設(shè)主動輪為彈性體A，從動輪為彈性體B。A和B在相互接觸的地方有許多接觸點對，在外載荷{PA}和{PB}的作用下，產(chǎn)生了位移{UA}和{UB}。根據(jù)有限元基本理論可得到平衡方程：

圖1 殼體漏油位置

其中，[KA]、[KB]為A，B的整體剛度矩陣；{UA}、{UB}為A，B的節(jié)點位移向量；{PA}、{PB}為A，B的整體外載荷向量；{RA}、{RB}為A，B的接觸力向量。

當(dāng)A，B材料、單元類型、外載荷條件確定后，上式中的[KA]、[KB]、{PA}、{PB}就已 知 了， 但 是 有 {UA}、{UB}、{RA}、{RB}4個未知量，只有方程（1）和方程（2）兩個方程無法解出，所以要補充接觸點對的接觸連續(xù)條件。按接觸面狀態(tài)可分為分離、黏結(jié)接觸和滑動接觸3種，其對應(yīng)的接觸面的位移和力的條件是各不相同的。假設(shè)取A，B上的一個接觸點對，分別為接觸點對的法向接觸力，為接觸點對的切向接觸力，為接觸點對的法向位移，為接觸點對的切向位移，則以下方程便是接觸點對的定解條件。

可見對于一種特定的接觸狀態(tài)，如果有m個接觸點對，就可以找到4m個定解條件作為補充方程，那么方程（1）和方程（2）就可以求解了。

接觸求解的過程是，對于有限元模型中的一個接觸點對，首先給它一個假定的接觸狀態(tài)，將其定解條件代入平衡方程（1）和方程（2），求出節(jié)點位移和接觸點對接觸力向量。然后根據(jù)節(jié)點位移和接觸點對向量檢查計算得到的接觸狀況和假設(shè)的接觸狀況是否相符，如不符即要重新假定接觸狀態(tài)再次選擇定解條件，重新進行迭代求解平衡方程，直到計算前后接觸狀態(tài)完全符合。

2.3 有限元模型的建立

該變速器為橫置變速器，殼體由離合器殼體和主殼體組成，所以僅存在一個結(jié)合面。本次仿真的主要目的是為了驗證殼體結(jié)合面的密封情況，因此，仿真模型中并未加入變速器齒軸，并且采用將齒軸載荷通過軸承孔傳遞給殼體的方式給殼體進行加載。為了使仿真的邊界條件更加接近整車的工況，仿真模型中加入了懸置支架。同時，仿真模型中使用rbe2和beam單元的方法代替螺栓連接，螺栓加載預(yù)緊力約為15～18KN。殼體結(jié)合面建立摩擦接觸對，摩擦系數(shù)約為0.15～0.2。將數(shù)模進行幾何清理后，劃分網(wǎng)格，殼體及懸置支架網(wǎng)格的平均尺寸約為3mm，并將結(jié)合面網(wǎng)格局部細化并保證網(wǎng)格質(zhì)量，如圖2所示。

圖2 變速器殼體與懸置支架有限元模型

2.4 邊界條件與工況

為了使分析與實際整車工況較為接近，將懸置支架約束6個自由度（也可加入懸置的實際剛度值），同時將離合器殼體的大端面也約束6個自由度。由于汽車在實際行駛中工況比較復(fù)雜，仿真中選擇了比較典型的1檔工況和倒檔工況來分析問題。變速器殼體內(nèi)部所受的載荷一般由齒輪的嚙合傳遞至軸承，再由軸承傳遞至殼體，因此從MASTA軟件提取軸承的受力情況加載于殼體上。(表1、表2)

表1 一檔工況各軸承孔的受力情況

2.5 有限元分析結(jié)果

2.5.1 螺栓預(yù)緊力分析結(jié)果

首先考察殼體結(jié)合面僅在螺栓預(yù)緊力作用下的間隙（間隙），如圖3所示為在僅受螺栓預(yù)緊力情況下的殼體結(jié)合面的間隙云圖，從圖中可以看到，殼體定位銷孔附近的間隙較其他位置相對大一些，但最大值也小于0.003mm，因此可以得出結(jié)論，在僅受螺栓預(yù)緊力的工況下，殼體結(jié)合面的密封性能良好，不會有漏油滲油的風(fēng)險。

表2 倒檔工況各軸承孔的受力情況

圖3 殼體僅受螺栓預(yù)緊力時結(jié)合面間隙

2.5.2 動態(tài)工況分析結(jié)果

殼體1檔工況下結(jié)合面的間隙，如圖4所示，殼體上部分有部分間隙大于0.012mm并且貫穿了整個殼體結(jié)合面，最大間隙約為0.029mm。變速器殼體結(jié)合面之間通常是涂有密封膠的，根據(jù)這種密封膠的性質(zhì)，其最大斷裂延伸率為260%，結(jié)合密封膠的最大厚度及其他因素后，可以近似認為當(dāng)殼體結(jié)合面間隙大于0.012mm且間隙貫穿整個結(jié)合面時可以就有漏油滲油的風(fēng)險。盡管圖中所示區(qū)域在整個油液面的上方，但齒輪工作時會把油甩到殼體上方，因此出現(xiàn)了滲油的情況（具體滲油位置與前文所述滲油位置相吻合）。

圖4 變速器殼體1檔工況下結(jié)合面間隙

殼體倒檔工況下結(jié)合面的間隙，如圖5所示，殼體結(jié)合面的最大間隙為0.026mm，但其中大于0.012mm的部分在結(jié)合面的寬度方向上的區(qū)域很小，因此認為殼體在倒檔工況時漏油滲油的風(fēng)險并不大。

3 變速器殼體結(jié)合面密封性能優(yōu)化

3.1 變速器殼體結(jié)合面密封性能的優(yōu)化方法

通常情況下，與變速器結(jié)合面密封性能有關(guān)的因素有以下幾種：1.密封膠的屬性與性能直接關(guān)系到密封性能；2.螺栓的擰緊力矩（預(yù)緊力）；3.螺栓之間的布置位置；4.殼體結(jié)合面的寬度；5.殼體整體的結(jié)構(gòu)剛度。

當(dāng)然，上述方法中最有效的還是方法3，螺栓布置的松密會直接影響結(jié)合面的工作時的間隙，因此，在相同條件且空間允許的情況下布置更密的螺栓可以直接優(yōu)化殼體的密封性。而從增加殼體整體剛度的角度來說，實際可行性就相對較差，效率也不高，通常在實際項目中很少使用。

根據(jù)本項目的具體情況，首先，滲油的位置處于殼體安裝后的上方位置且滲油的情況并不是很嚴重，基于殼體的實際狀態(tài)和優(yōu)化的成本，最終采取了方法4對殼體結(jié)合面進行優(yōu)化。優(yōu)化后的殼體如圖所示，螺栓中心的連線被結(jié)合面寬度所包絡(luò)。

圖5 變速器殼體倒檔工況下結(jié)合面間隙

3.2 變速器殼體結(jié)合面密封性能的優(yōu)化結(jié)果

按上述優(yōu)化的方法對殼體進行優(yōu)化后，對滲油的1檔工況重新進行了仿真，結(jié)果如圖6示。結(jié)果顯示，結(jié)合面的最大間隙有原來的0.0295mm降到了0.0187mm，間隙下降了近36%，同時大于0.012mm的區(qū)域由原來的貫穿整個結(jié)合面下降到了僅40%左右，因此從理論上可以得到密封性能滿足要求的結(jié)論。

圖6 優(yōu)化后的變速器殼體1檔工況下結(jié)合面間隙

經(jīng)過后續(xù)的試驗，并沒有再次發(fā)生滲油現(xiàn)象。

4 結(jié)論

漏油滲油是變速器常見的故障之一，一旦發(fā)生故障，就會給變速器甚至行車安全帶來巨大的危害，因此確保變速器的密封性能非常重要。本文通過有限元的計算方法，可以準(zhǔn)確地計算出變速器殼體在具體工況下的結(jié)合面的密封性能，并可以通過試驗的驗證。變速器殼體的密封性能與許多因素有關(guān)，其中包括：密封膠的屬性與性能、螺栓的擰緊力矩（預(yù)緊力）、螺栓之間的布置位置、殼體結(jié)合面的寬度、殼體整體的剛度等等。普通工況下，保證結(jié)合面之間的貫穿的間隙不大于0.012mm就可以在密封膠的作用下確保變速器的密封性能。通常變速器殼體滲油漏油的位置都在油液面一下，但并不排除油液面以上的部分出現(xiàn)滲油現(xiàn)象。

審核編輯：湯梓紅