彭立印

（陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)研究所，陜西 西安 710077）

1 問(wèn)題描述

根據(jù)客戶反饋，某變速箱頻繁發(fā)生離合器與大殼結(jié)合面漏油故障。漏油故障一旦嚴(yán)重，極有可能引發(fā)變速箱燒箱故障。

圖1 變速器漏油圖片

目前主流變速器產(chǎn)品采用的都是非石棉抄取板材料襯墊，盡管在裝配時(shí)采用相同的擰緊力矩，但使用車型不同，一些變速箱有輔助支撐，一些沒(méi)有，并且鋁合金變速箱的螺栓數(shù)目要多一些。因此本文針對(duì)這一現(xiàn)象，對(duì)該變速器的離合器殼體與大殼接合面進(jìn)行密封性能分析，為后續(xù)的密封、緊固性能的改進(jìn)提供理論依據(jù)。

2 分析內(nèi)容

本文通過(guò)Pro-E建立殼體的三維模型，使用ANSA和ABAQUS進(jìn)行有限元前處理，完成網(wǎng)格模型和分析模型，通過(guò) ABAQUS 求解器進(jìn)行分析計(jì)算和后處理，獲得需要的分析數(shù)據(jù)。計(jì)算中單位制采用mm－T－s。

2.1 有限元模型及材料屬性

為了最大限度的使分析結(jié)果接近實(shí)際情況，對(duì)變速器殼體、上蓋殼體、后蓋殼體及部分螺栓進(jìn)行實(shí)體建模，各零件網(wǎng)格示意圖如圖2-1至2-5所示，相應(yīng)的材料、單元類型、單元大小如表1所示。其中金屬材料只使用彈性數(shù)據(jù)，忽略塑性變形，襯墊剛度小，網(wǎng)格加密，采用 ABAQUS襯墊單元建模。

圖2

表1 各零件材料牌號(hào)

2.2 邊界條件及加載

位移和載荷邊界條件：分四個(gè)載荷步：

step-1：分別在遠(yuǎn)離接合面的位置約束離合器殼體和大殼殼體的三個(gè)平動(dòng)自由度，并且施加螺栓預(yù)緊力，此步目的為是接觸面收斂快。螺栓預(yù)緊力通過(guò)公式(1)求得：

式中，M為緊固螺栓扭矩；d為螺栓的公稱直徑，k為擰緊系數(shù)，取為0.23。計(jì)算得到M12的預(yù)緊力為32570N，M16的預(yù)緊力為53917N，M20的預(yù)緊力為83333N。

step-2：保留離合器殼體上的位移約束，保持螺栓載荷為current length，此步目的是計(jì)算只有螺栓預(yù)緊力情況下結(jié)合面密封情況。接觸邊界條件：襯墊與殼體的接觸區(qū)域設(shè)置接觸，選擇小滑移，切向摩擦系數(shù)為0.1，同時(shí)為了加快計(jì)算收斂速度，在螺栓與殼體接觸區(qū)域設(shè)置 Tie連接，或者采用MPC-BEAM單元模擬螺栓。

step-3：在step-2的基礎(chǔ)上增加大殼及后蓋軸承孔位置處的載荷，此載荷來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩（該變速箱配置發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩為 2500N*m），此步目的是計(jì)算有螺栓預(yù)緊力和扭矩情況下結(jié)合面密封情況。

step-4：在step-3的基礎(chǔ)上增加增加7倍向下重力、1倍水平重力載荷，此步為計(jì)算有螺栓預(yù)緊力和扭矩工況下下，考慮到震動(dòng)加速度對(duì)結(jié)合面密封性能的影響。

3 分析結(jié)果

3.1 原始設(shè)計(jì)方案面壓分析

圖3

小結(jié)：當(dāng)僅有預(yù)緊力時(shí)，密封墊右上部有密封壓力；當(dāng)考慮預(yù)緊力和扭矩時(shí)，密封墊右上部也有密封壓力；若考慮到振動(dòng)的情況，密封墊右上部密封壓力很低，密封效果很差。

中間軸孔兩側(cè)位置的密封效果也比較差。

3.2 更改密封墊膠線設(shè)計(jì)面壓分析

5 改進(jìn)密封墊膠線設(shè)計(jì)

圖4 離合器殼體螺栓布置

圖6 改進(jìn)膠線設(shè)計(jì)面壓分析結(jié)果（從左到右：僅預(yù)緊力，預(yù)緊力+扭矩，預(yù)緊力+扭矩+振動(dòng)）

小結(jié)：當(dāng)僅有預(yù)緊力時(shí)，密封墊右上部有密封壓力；當(dāng)考慮預(yù)緊力和扭矩時(shí)，密封墊右上部也有密封壓力；若考慮到振動(dòng)的情況，密封墊右上部沒(méi)有密封壓力，沒(méi)有密封效果。

3.3 增加螺栓數(shù)量面壓分析

圖7 離合器殼體螺栓布置

圖8 改進(jìn)密封墊膠線設(shè)計(jì)

小結(jié)：若僅考慮預(yù)緊力，密封墊右上部壓力約為90MPa；若考慮預(yù)緊力和扭矩，密封墊右上部壓力約為80MPa；若考慮到振動(dòng)的情況（垂直7g，水平1g），密封墊右上部密封壓力約為20MPa，能夠起到較好密封作用。

圖9 增加螺栓設(shè)計(jì)面壓分析結(jié)果（從左到右：僅預(yù)緊力，預(yù)緊力+扭矩，預(yù)緊力+扭矩+振動(dòng)）

4 結(jié)論

從以上分析結(jié)果可以看出， 殼體的密封性能受螺栓的分布、襯墊的設(shè)計(jì)等多方面影響。 計(jì)算結(jié)果顯示，使用改進(jìn)后襯墊，能夠優(yōu)化面壓分布，一定程度上提升密封性能;增加螺栓來(lái)降低振動(dòng)帶來(lái)的幅值變化，改善螺栓松動(dòng)現(xiàn)象。實(shí)際改進(jìn)中既改進(jìn)了膠線，也增加了螺栓，該改進(jìn)方案已經(jīng)實(shí)施一年，目前沒(méi)有收到滲漏信息，證明該改進(jìn)方案有效。