韋博，劉偉鋒

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12擋變速器鋁合金后蓋分析試驗(yàn)與改進(jìn)

韋博，劉偉鋒

（陜西法士特集團(tuán)公司汽車傳動(dòng)工程研究院，陜西 西安 710119）

文章使用有限元分析方法結(jié)合試驗(yàn)方法，分別針對(duì)鑄造成品率低和強(qiáng)度不足，從數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、原因分析、方案制定、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算、結(jié)構(gòu)改進(jìn)到最終驗(yàn)證，建立了一套完整的分析流程，對(duì)12擋鋁合金后蓋進(jìn)行兩次分析改進(jìn)。最終顯著提高了成品率和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，有效縮短了設(shè)計(jì)改進(jìn)和試驗(yàn)周期，提高了設(shè)計(jì)效率，降低了開(kāi)發(fā)成本。

后蓋；有限元；改進(jìn)；壓鑄

1 引言

后蓋殼體開(kāi)裂的主要影響因素除毛坯鑄造缺陷和輸入扭矩的大小外，還與整箱的懸置方式、受到的振動(dòng)載荷、傳動(dòng)軸不平衡及主軸軸承的配合等多方面因素相關(guān)。

本文首先針對(duì)工藝部門(mén)反饋的12擋鋁合金后蓋（如圖1所示）存在的鑄造缺陷多、成品率低、鑄造困難等問(wèn)題，結(jié)合有限元分析方法，在保證強(qiáng)度的條件下，對(duì)后蓋作了結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化，有效解決了鑄造工藝中存在的問(wèn)題。

進(jìn)一步，隨著整車大馬力的趨勢(shì)，針對(duì)后蓋主軸軸承孔周圍容易開(kāi)裂問(wèn)題對(duì)此后蓋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，在不降低鑄造成品率的基礎(chǔ)上提高了強(qiáng)度。

圖1 12擋鋁合金后蓋

2 原后蓋結(jié)構(gòu)

2.1 鑄造問(wèn)題反饋

2016.6鑄造工藝部門(mén)反饋，JSD220/180-1707015-Y后蓋殼體內(nèi)部縮孔，外部漏氣及熱裂紋，產(chǎn)品裝配漏氣。2016年JSD220-Y后蓋125000件，JSD180-Y后蓋65000件，通過(guò)評(píng)審、讓步接收后大裂紋比例導(dǎo)致的報(bào)廢10%；嚴(yán)重縮陷導(dǎo)致的報(bào)廢15%。除過(guò)同時(shí)有大裂紋和嚴(yán)重縮陷的，總體報(bào)廢比例約20%，即鑄造成品率80%。主要故障部位如圖2所示。

圖2 壓鑄缺陷部位

2.2 壓鑄缺陷原因分析

壓鑄件應(yīng)盡量保證壁厚均勻[3]，如圖3所示，此后蓋主軸軸承孔外圍的螺栓孔和油孔之間壁厚太厚，達(dá)到17mm，是基本壁厚6mm的近3倍，易產(chǎn)生氣孔、縮孔，導(dǎo)致漏氣。

圖3 漏氣部位剖截面

如圖4所示，兩個(gè)螺栓孔凸臺(tái)底部之間距離3mm，兩凸臺(tái)底面壁厚薄，先凝固，凸臺(tái)高度高，材料后凝固,后凝固時(shí)需要其他部位補(bǔ)縮，對(duì)夾縫之間產(chǎn)生了一個(gè)拉應(yīng)力，表面易產(chǎn)生熱裂紋。零件圖由于無(wú)拔模斜度，實(shí)際毛坯有拔模斜度，兩個(gè)凸臺(tái)底部距離更小。

圖4 后蓋毛坯裂紋位置

3 針對(duì)鑄造缺陷的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

圖5 針對(duì)鑄造缺陷的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

圖6 針對(duì)鑄造缺陷的主要改進(jìn)點(diǎn)

針對(duì)鑄造缺陷進(jìn)行的結(jié)構(gòu)改進(jìn)如圖5所示，具體改進(jìn)點(diǎn)如圖6所示。

如圖6所示，主要改進(jìn)點(diǎn)如下：

（1）A部位移動(dòng)筋的位置，圓角切平，盡量增大空間；

（2）B部位隨型設(shè)計(jì)，壁厚由23mm減小到11mm；

（3）取消C部位基本不使用的貫通軸取力器預(yù)留結(jié)構(gòu)，提高鑄造質(zhì)量的同時(shí)還能減重。

改進(jìn)后鑄造成品率97%以上。

4 售后故障分析

2017年對(duì)后蓋開(kāi)裂的實(shí)際故障進(jìn)行多次統(tǒng)計(jì)，經(jīng)過(guò)售后數(shù)據(jù)篩選和多次舊件查看，證明12擋鋁合金后蓋的主要故障形式為主軸軸承孔外圍一圈開(kāi)裂，嚴(yán)重的甚至主軸凸臺(tái)掉落，如圖7所示。

圖7 12擋鋁合金后蓋售后主要故障形式

按照具體開(kāi)裂部位，對(duì)小循環(huán)后蓋進(jìn)行分類，如圖8所示，小循環(huán)2017年某月開(kāi)裂部位占比如圖9所示。

圖8 開(kāi)裂部位示意

圖9 2017年某月小循環(huán)開(kāi)裂部位統(tǒng)計(jì)

由圖8、圖9可知，主軸軸承孔凸臺(tái)外圍一圈的b、c、e占所有開(kāi)裂部位的69%以上，因此后續(xù)開(kāi)展的試驗(yàn)及改進(jìn)工作主要集中在主軸軸承孔凸臺(tái)外圍一圈。

5 整車試驗(yàn)

制定了整車試驗(yàn)方案，基于以下目的：

（1）考察不同特征路面及實(shí)車道路條件下后蓋加速度值及應(yīng)變值；

（2）考察傳動(dòng)軸不平衡量對(duì)后蓋的影響；

（3）將試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為有限元分析的輸入條件，進(jìn)行強(qiáng)度分析，指導(dǎo)后蓋結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

圖10 整車試驗(yàn)樣車及傳感器位置

部分整車試驗(yàn)照片如圖11所示，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖11 部分整車試驗(yàn)照片

表1 整車試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)

試驗(yàn)樣車及傳感器位置如圖10所示，整車滿載40t，后蓋主軸軸承孔凸臺(tái)上部筋結(jié)合處各貼一個(gè)應(yīng)變片，斜面底部貼一個(gè)應(yīng)變花，凸臺(tái)斜向上筋側(cè)面貼一個(gè)應(yīng)變片，兩個(gè)加速度傳感器分別位于主軸后軸承蓋上方和后蓋上方。

根據(jù)表1結(jié)果，確定加載條件，作為有限元分析的輸入。

6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)及有限元分析

此次改進(jìn)共出了5種方案，本文篩選出兩種方案（方案1、方案2）作為結(jié)果展示，并對(duì)比鑄鐵后蓋。

按照?qǐng)D8所示開(kāi)裂位置c對(duì)應(yīng)工況，分析結(jié)果如圖12所示。

圖12 開(kāi)裂位置c對(duì)應(yīng)工況應(yīng)力結(jié)果

按照?qǐng)D8所示開(kāi)裂位置e對(duì)應(yīng)工況，分析結(jié)果如圖13所示。

圖13 開(kāi)裂位置e對(duì)應(yīng)工況應(yīng)力結(jié)果

按照?qǐng)D8所示開(kāi)裂位置b對(duì)應(yīng)工況，分析結(jié)果如圖14所示。

圖14 開(kāi)裂位置b對(duì)應(yīng)工況應(yīng)力結(jié)果

具體計(jì)算結(jié)果總結(jié)如表2所示。

表2 有限元計(jì)算結(jié)果總結(jié)（單位：MPa）

由表2可知，方案1比方案2效果好，工況1的應(yīng)力已經(jīng)小于鑄鐵后蓋，工況2和工況5也和鑄鐵后蓋接近。改進(jìn)效果良好。

7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)方案確定

依據(jù)有限元分析結(jié)果，并和壓鑄工藝多次溝通確認(rèn)之后，確定最終的改進(jìn)方案如圖15所示，紅色筋為加強(qiáng)部位。

圖15 結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)最終方案

8 強(qiáng)度試驗(yàn)

圖16 后蓋強(qiáng)度試驗(yàn)

新結(jié)構(gòu)后蓋開(kāi)模后，為進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)效果，對(duì)改前改后后蓋進(jìn)行了強(qiáng)度試驗(yàn)，法蘭盤(pán)切割平面后用千斤頂加載，向上加載變速器正向安裝，向下加載變速器倒置180度安裝。

試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果吻合，改進(jìn)有效。

9 結(jié)論

本文對(duì)12擋變速箱鋁合金后蓋進(jìn)行了兩次改進(jìn)，第一次解決壓鑄成品率的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，鑄造成品率從80%提高到97%以上。第二次解決主軸軸承凸臺(tái)部位強(qiáng)度不足問(wèn)題，通過(guò)整車試驗(yàn)確定了有限元分析的輸入條件，最終改進(jìn)結(jié)構(gòu)在不影響鑄造質(zhì)量的前提下，強(qiáng)度提高40%以上，在新毛坯試制成功后進(jìn)一步進(jìn)行了強(qiáng)度試驗(yàn)，驗(yàn)證了有限元分析的有效性。

本分析利用有限元分析結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證的方法指導(dǎo)后蓋結(jié)構(gòu)改進(jìn)，大大縮短了后蓋改進(jìn)周期，降低了設(shè)計(jì)和試驗(yàn)成本。顯著提高了后蓋成品率和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高了工作效率并降低了生產(chǎn)成本。

本分析提供的變速器總成中殼體問(wèn)題的分析及解決的流程方法，對(duì)變速器的殼體類零件及其他類零件的設(shè)計(jì)改進(jìn)具有重要的指導(dǎo)意義。

[1] 王望予.汽車設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[2] 石亦平,周玉蓉.ＡＢＡＱＵＳ有限元分析實(shí)例詳解[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[3] 傳海軍.壓鑄基礎(chǔ)知識(shí).培訓(xùn)資料,2015.11.9.

Analysis and improvement of aluminum alloy back cover for 12-speed transmission

Wei Bo, Liu Weifeng

( Shaanxi Fast Auto Drive Engineering Institute, Shaanxi Xi'an 710119 )

This paper uses a finite element analysis method combined with a test method to establish a complete set of low and low casting yields, from data statistics, cause analysis, program development, test design, strength calculation, structural improvement to final verification. Analysis process, two analysis and improvement of the 12-seat aluminum alloy back cover. In the end, the yield and structural strength are significantly improved, the design improvement and test cycle are effectively shortened, the design efficiency is improved, and the development cost is reduced.

back cover; finite element; improvement; die casting

B

1671-7988(2018)19-67-04

U466

B

1671-7988(2018)18-67-04

CLC NO.: U466

韋博，男，1983年生，工程師，主要從事變速器設(shè)計(jì)、應(yīng)用研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.024