楊 罡

（中國重汽集團(tuán) 大同齒輪有限公司 技術(shù)中心，山西 大同 037305）

0 引言

變速器是汽車底盤傳動(dòng)系統(tǒng)的主要部件之一，其功能是通過不同齒輪副的組合來達(dá)到變速和變矩的目的，主要由齒輪、軸、殼體、操縱機(jī)構(gòu)、軸承等零部件組成。變速器應(yīng)具有傳動(dòng)效率高、操縱輕便、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，根據(jù)整車的使用工況，有些變速器還應(yīng)加裝取力器。取力器是裝在變速器外側(cè)的部件，其從變速器內(nèi)部獲取動(dòng)力，通過駕駛室的電磁閥來控制取力器的掛檔和摘檔，由取力器帶動(dòng)油泵或其他裝置實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出。

本文分析的取力器屬于后置取力器，裝配在變速器的后部，輸入端從變速器內(nèi)部的軸獲取動(dòng)力，輸出端通過傳動(dòng)軸與整車油泵連接，由氣路控制取力器的掛檔和摘檔。當(dāng)氣路打開，取力器掛上檔后處于工作狀態(tài)，從輸入端獲得的動(dòng)力傳遞給輸出端，使輸出端的傳動(dòng)軸帶動(dòng)相關(guān)部件從靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)檗D(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)開始工作。該取力器在市場(chǎng)使用過程中出現(xiàn)了殼體開裂的現(xiàn)象，本文通過對(duì)失效件進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到消除故障的目的［1］。

1 取力器殼體開裂分析

拆檢取力器殼體失效件進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)開裂起始部位在殼體中部左側(cè)連接孔處，如圖1所示。觀察失效件并分析取力器的使用工況，發(fā)現(xiàn)如下特征：①取力器輸出端帶動(dòng)的負(fù)載較大，在取力器開始工作的掛檔瞬間會(huì)對(duì)取力器本體產(chǎn)生沖擊，殼體承擔(dān)了較大的載荷；②開裂部位處于殼體壁厚變化較大處，該處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)取力器工作時(shí)，此處在外力的沖擊下可能產(chǎn)生開裂現(xiàn)象［2］。

本文利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)殼體進(jìn)行強(qiáng)度分析，按照實(shí)際工況對(duì)各處施加約束，并通過合理的網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定，對(duì)取力器殼體強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算［3］。圖2為取力器原結(jié)構(gòu)殼體應(yīng)力云圖。從圖2中發(fā)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果與殼體實(shí)際發(fā)生開裂的位置吻合，中部左側(cè)連接孔處應(yīng)力最大，達(dá)到138.51MPa，下部軸承孔處和右側(cè)壁薄處應(yīng)力也較大。

圖1 取力器殼體開裂失效件

圖2 取力器原結(jié)構(gòu)殼體 應(yīng)力云圖

2 取力器殼體優(yōu)化設(shè)計(jì)

取力器殼體的材料是 HT200，壁厚為6mm。HT200作鑄件時(shí)壁厚和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系如下：當(dāng)壁厚為2.5mm～10mm時(shí)，其抗拉強(qiáng)度為220MPa；壁厚為10mm～20mm時(shí)，其抗拉強(qiáng)度會(huì)下降為195MPa。為減小應(yīng)力集中，提高安全率，同時(shí)控制改進(jìn)成本，將殼體壁厚改為8mm，并減小中部左側(cè)連接孔處周圍的壁厚變化，降低應(yīng)力集中。圖3為取力器殼體優(yōu)化前、后對(duì)比。

圖3 取力器殼體優(yōu)化前、后對(duì)比

對(duì)優(yōu)化后殼體進(jìn)行強(qiáng)度分析，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。從圖4中可看出，中部左側(cè)連接孔處應(yīng)力降低，下部軸承孔處和右側(cè)壁薄處應(yīng)力也降低，殼體最大應(yīng)力為62.094MPa，殼體最大應(yīng)力小于材料的抗拉強(qiáng)度，安全率較高，滿足設(shè)計(jì)要求［4］。

圖4 殼體優(yōu)化后應(yīng)力云圖

3 優(yōu)化后取力器殼體的試驗(yàn)驗(yàn)證

將殼體優(yōu)化后的取力器總成裝配到變速器上進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。臺(tái)架試驗(yàn)采用輸入端轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出端靜止的方式模擬整車工況，用電控柜控制氣路實(shí)現(xiàn)取力器的掛檔和摘檔動(dòng)作。試驗(yàn)中對(duì)取力器連續(xù)進(jìn)行掛檔和摘檔，反復(fù)沖擊，連續(xù)試驗(yàn)84h，等效于裝配取力器的整車在取力器普通使用頻率下行駛了20萬公里。試驗(yàn)完成后拆檢取力器，殼體完好，無開裂等失效現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）觀察失效件，失效部位存在應(yīng)力集中，在工作過程中受沖擊開裂。分析計(jì)算殼體強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果與失效件開裂位置吻合，據(jù)此進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行強(qiáng)度分析，殼體最大應(yīng)力為62.094MPa，小于材料的抗拉強(qiáng)度220MPa，安全率較高。

（3）將殼體優(yōu)化后的取力器總成裝配到變速器上進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)完成后取力器殼體完好，無開裂等失效現(xiàn)象，滿足設(shè)計(jì)要求。

［1］張棟.失效分析［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2004.

［2］武寶林，楊素君，姚俊紅.齒輪傳動(dòng)中嚙合沖擊的理論分析［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2003（1）：55－57.

［3］段靜波，李道奎，雷勇軍.斷裂力學(xué)分析的奇異有限元法研究綜述［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2012（2）：262－269.

［4］鄧洪超，馬文星，康一坡.基于多零件接觸的重型汽車變速器殼體強(qiáng)度分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（4）：111－113.