喬湘鶴，方向進(jìn)，蒙遠(yuǎn)春，葉偉飛，吳江

(浙江萬里揚(yáng)變速器股份有限公司研究院，浙江金華 321000)

基于有限元法的變速器后蓋的分析

喬湘鶴，方向進(jìn)，蒙遠(yuǎn)春，葉偉飛，吳江

(浙江萬里揚(yáng)變速器股份有限公司研究院，浙江金華 321000)

結(jié)合有限元軟件對(duì)市場出現(xiàn)的變速器后蓋問題進(jìn)行了分析，并提出了針對(duì)性改進(jìn)，提高了變速器的使用安全性。

變速器后蓋；有限元分析；制動(dòng)

0 引言

現(xiàn)代汽車制動(dòng)以及駐坡雖然已經(jīng)有相當(dāng)部分采用了排氣制動(dòng)以及斷氣剎的模式，但是手制動(dòng)器制動(dòng)方式仍舊占有相當(dāng)大的比例，主要為在變速器的后輸出端加裝一個(gè)手制動(dòng)總成，如圖1所示。

其中手制動(dòng)器底盤與變速器后蓋聯(lián)接，手制動(dòng)鼓與變速器凸緣聯(lián)接。當(dāng)拉緊手制動(dòng)時(shí)，手制動(dòng)底盤上的蹄片擴(kuò)張與手制動(dòng)鼓相接，從而產(chǎn)生一個(gè)摩擦力矩，阻止變速器凸緣轉(zhuǎn)動(dòng)，保證變速器無輸出到傳動(dòng)軸，從而鎖死整個(gè)車輛，保證車輛的駐坡和輔助制動(dòng)。

1 后蓋故障模式

日前，某公司生產(chǎn)的530變速器在市場上出現(xiàn)了部分變速器后蓋因車輛低速行駛時(shí)使用手制動(dòng)輔助剎車而導(dǎo)致后蓋破裂的情況。針對(duì)該問題，作者進(jìn)行了一系列分析。圖2為變速器后蓋破損照片。

通過對(duì)現(xiàn)場故障照片的分析以及初步判斷，應(yīng)該為手制動(dòng)過程中，后蓋上部的固定、定位螺栓單獨(dú)受力，導(dǎo)致該部分局部應(yīng)力過大，從而破裂。

2 模型的建立以及受力分析

極端情況下，可以認(rèn)為后蓋上部螺栓單獨(dú)受力，受力簡圖如圖3所示。

受力大小分析：

(1) 根據(jù)汽車駐坡最小制動(dòng)力計(jì)算

通過查詢代表車型，其總質(zhì)量不大于6 t，后橋速比為6.67，輪胎為7.5R16，滾動(dòng)半徑為388 mm。假設(shè)按通常的駐坡能力20%計(jì)算，則可以得到手制動(dòng)最小駐坡力矩：

N=6 000×9.8×20%×388×0.001÷6.67≈684.09 N·m

后蓋手制動(dòng)固定螺栓到后蓋中心距離為79 mm，極端情況下，該處受力:

Fmax=684.09×1 000÷79≈8 659 N

(2) 按照行車制動(dòng)要求

按照車速30 km/h，如果完全要求手制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)，行車制動(dòng)距離可以按標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算：

s<0.15v+v2/50.9≈22.18 m

當(dāng)不考慮車輛其他的阻力因素時(shí)，可以認(rèn)為:

a=v/t

s=a·t2/2=v·t/2=22.18 m

t≈5.344 s

a≈1.56 m/s2

F=ma=9 360 N

式中：F為制動(dòng)力；a為減速度。

手制動(dòng)制動(dòng)力矩：

M=9 360×0.001×388÷6.67≈544.48 N·m

該車輛在手制動(dòng)力矩達(dá)到544.48 N·m時(shí)已經(jīng)能夠滿足車輛的行車制動(dòng)要求，通過調(diào)查實(shí)際使用要求，設(shè)定車輛3 s制動(dòng)成功，則：

a=v/t=30×1 000÷3 600÷3≈2.8 m/s2

F=ma=2.8×6 000=16 800 N

M=16 800×0.001×388÷6.67≈977.27 N·m

后蓋手制動(dòng)固定螺栓受力為：

Fmax=977.27×1 000÷79=12 370 N

同理，當(dāng)制動(dòng)時(shí)間為2 s和1 s時(shí)，后蓋手制動(dòng)螺栓受力分別為

a=v/t=30×1 000÷3 600÷2≈4.17 m/s2

F=ma=4.17×6 000=25 020 N

M=25 020×0.001×388÷6.67≈1 455.43 N·m

Fmax=1 455.43×1 000÷79=18 423 N(t=1 s時(shí))

3 模型建立以及計(jì)算結(jié)果分析

手制動(dòng)定位螺栓與后蓋定位螺栓孔之間為間隙配合，理論上兩者為線接觸，但是考慮HT200的柔性，該處兩者接觸在模型計(jì)算中，設(shè)定為一個(gè)寬度為4 mm的接觸面，如圖4所示。

因?qū)嶋H使用中靜止制動(dòng)基本無損壞狀況，故直接驗(yàn)算輔助制動(dòng)模式。當(dāng)受力為上文所述第二種情況時(shí)，即受力為12 370 N時(shí)，計(jì)算結(jié)果見圖5。

當(dāng)受力為上文所述第三種情況時(shí)，即受力為18 423 N時(shí)，計(jì)算結(jié)果見圖6。

通過分析可以看出：后蓋的最大應(yīng)力點(diǎn)與實(shí)際損壞位置相當(dāng)，最大應(yīng)力值分別是155.42、231.47 MPa。也就是表明只有當(dāng)車輛完全采用手制動(dòng)器進(jìn)行行車制動(dòng)時(shí)，且是迅速地強(qiáng)行行車制動(dòng)時(shí)，才會(huì)發(fā)生后蓋殼體的損傷情況，

4 結(jié)論

通過以上分析，為滿足車輛的使用要求，作者優(yōu)化了后蓋殼體的局部，并再次進(jìn)行了分析，得出如圖7所示計(jì)算結(jié)果。

在18 423 N，即最惡劣的情況下，殼體應(yīng)力值也只有175.58 MPa，低于HT200的材料應(yīng)力值，使得變速器后蓋的損壞可能降到最低。

【1】 全國工業(yè)車輛標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB T18849-2011 機(jī)動(dòng)工業(yè)車輛 制動(dòng)器工作性能和零件強(qiáng)度[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

【2】 吳宗澤.機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

AnalysisofRearCoverofTransmissionBasedonFiniteElementMethod

QIAO Xianghe,FANG Xiangjin,MENG Yuanchun,YE Weifei,WU Jiang

(Transmission Research Institute，Zhejiang Wanliyang Transmission Co.,Ltd.,Jinhua Zhejiang 321000,China)

By using FEA software,the rear cover of a transmission was analyzed.Pointed improving measure was provided.And the safety of the transmission was improved.

Transmission rear cover;Finite element analysis;Brake

2014-10-16

喬湘鶴(1980—)，男，學(xué)士，工程師，從事變速器、減速方面的開發(fā)設(shè)計(jì)工作。E-mail：wind_q@sina.com。