劉拴起，楊毅超

(1.同濟大學，上海 200092； 2.中國長安汽車集團股份有限公司 重慶青山變速器分公司，重慶 402776)

0 引 言

汽車變速器是汽車傳動系統(tǒng)的重要部件，用來改變發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，直接影響著汽車的動力性、燃油經(jīng)濟性、舒適性等重要性能[1]。而雙離合自動變速器(DCT)既擁有手動變速器高效靈活的特點，又擁有自動變速器換檔舒適的優(yōu)點，目前成為國內(nèi)整車及變速器企業(yè)研發(fā)的重點。

變速器箱體作為變速器的重要部件，具有支撐內(nèi)部傳動機構(gòu)和保存潤滑油的重要作用[2]。變速器不同箱體間的結(jié)合面往往通過螺栓預緊力和密封膠保證其良好的密封性能。若箱體結(jié)合面密封性不好，極易造成潤滑油滲漏，導致齒輪系統(tǒng)潤滑不良，引發(fā)變速器故障[3]，同時滲漏的潤滑油也會造成環(huán)境污染。因此，變速器箱體結(jié)合面的密封性能成為變速器設(shè)計的重要指標。

針對某雙離合自動變速器在試驗場路試過程中出現(xiàn)左箱蓋滲油故障，采用接觸非線性有限元方法對箱體結(jié)合面進行密封性分析，從而識別原有設(shè)計問題并對局部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進。該雙離合自動變速器箱體主要由左箱、右箱、左箱蓋、油底殼等組成，如圖1 所示，左箱與左箱蓋之間通過合箱螺栓和密封膠進行連接，其中圓圈標記的區(qū)域為路試中出現(xiàn)滲油的區(qū)域。

圖1 某雙離合自動變速器箱體示意圖

1 密封性有限元分析簡介

由于箱體安裝后的密封膠厚度僅為0.01 mm左右，且其剛度相對于箱體可以忽略不計，故此次分析并未考慮密封膠的影響。主要利用Ansys Workbench軟件，考慮螺栓預緊力的情況下，采用接觸非線性有限元分析方法，分析特定工況下左箱蓋與左箱結(jié)合面的面壓(Pressure)和張開量(Gap)，從而綜合判定箱體結(jié)合面的密封性能。其中：面壓是指由合箱螺栓的擰緊力矩引起的結(jié)合面壓強，面壓越大，越有利于阻止?jié)櫥蜐B漏，通常螺栓附近的面壓較大，兩顆螺栓之間的面壓較??；張開量是指箱體在載荷作用下合箱面之間會產(chǎn)生間隙，間隙越小，密封性越好，通常螺栓附近的間隙較小，兩顆螺栓之間的間隙較大。

1.1 有限元模型

變速器箱體有限元模型如圖2所示，由于箱體結(jié)構(gòu)復雜，采用四面體網(wǎng)格進行劃分。左箱與左箱蓋結(jié)合面之間建立摩擦接觸對，摩擦系數(shù)為0.2，合箱螺栓螺帽與左箱蓋之間建立摩擦接觸對，摩擦系數(shù)為0.12，合箱螺栓螺紋部分與左箱螺紋孔之間建立綁定(Bonded)連接。由于其它箱體結(jié)合面并非此次分析的關(guān)注重點，均采用綁定連接。箱體和左懸置材料為鋁合金，螺栓材料為鋼。

圖2 變速器箱體有限元模型

1.2 邊界條件與工況

由于變速器是通過右箱發(fā)動機大端面的螺栓孔與發(fā)動機進行剛性連接的，故將這些螺栓孔進行6個方向自由度的固定約束。密封性分析分為兩個工況，工況一為靜態(tài)工況，僅考慮螺栓預緊力作用下結(jié)合面的密封性能，如圖3，該變速器合箱螺栓擰緊力矩為10 N·m，計算出的軸向預緊力為7 231.2 N。

工況二為極端工作工況，在施加螺栓預緊力的同時施加一檔100%扭矩齒輪嚙合力和+X3g懸置載荷，模擬變速器極端工作狀態(tài)下結(jié)合面的密封性能，如圖4所示，其中一檔100%扭矩齒輪嚙合力是通過RomaxDesigner軟件計算得出的，如表1所示，+X3 g懸置載荷由整車廠提供，在整車坐標系下X方向承受的載荷大小為2 665.3 N，Y方向承受的載荷大小為-1.8 N，Z方向承受的載荷大小為-872.1 N。

圖3 工況一邊界圖

圖4 工況二邊界圖

表1 一檔100%扭矩(136 N·m)齒輪嚙合力

2 靜態(tài)工況分析結(jié)果與試驗驗證

2.1 靜態(tài)工況分析結(jié)果

靜態(tài)工況下左箱蓋與左箱結(jié)合面的面壓分布。云圖如圖5所示，6～7號螺栓、3～4號螺栓、2～3號螺栓、1～2號螺栓、1～12號螺栓和7-8號螺栓間的面壓較低。張開量云圖如圖6所示，最大張開量出現(xiàn)在1～2號螺栓間，僅為0.44 μm，遠小于密封膠的厚度，在靜態(tài)工況下不會發(fā)生潤滑油滲漏。

2.2 試驗驗證

為了驗證靜態(tài)工況下有限元分析的正確性，本文采用面壓試驗進行對比驗證。面壓試驗的原理是利用放置在結(jié)合面間的壓力測量膠片感應結(jié)合面之間的壓力，該膠片上涂有顯色物質(zhì)，上面有微囊生色物質(zhì)，施壓時微囊破裂，生色物質(zhì)與顯色物質(zhì)相互反應，色彩區(qū)出現(xiàn)在膠片上，色彩的濃度會隨著壓力的改變而改變，顏色越深表示壓力越大，因此膠片可以精確地測量壓力、壓力分布和壓力平衡，便利直觀地檢查所施壓力的分布和均勻性。圖7為靜態(tài)工況下面壓試驗結(jié)果，可以看出1～2號螺栓、2～3號螺栓和7～8號螺栓之間的壓力值較低，壓力分布不均勻，與靜態(tài)工況下的仿真結(jié)果基本一致，從而驗證了有限元分析方法的正確性。

圖5 靜態(tài)工況下的面壓云圖 圖6 靜態(tài)工況下的張開量云圖

3 極端工作工況分析結(jié)果

極端工作工況下左箱蓋與左箱結(jié)合面的面壓分布云圖如圖8所示，面壓較低的位置出現(xiàn)在6～7號螺栓、4～5號螺栓之間。張開量云圖如圖9所示，最大張開量出現(xiàn)在6～7號螺栓間，為13.4 um，大于密封膠的厚度10 um，容易發(fā)生潤滑油滲漏，該分析結(jié)果與路試出現(xiàn)潤滑油滲漏的位置一致。

圖7 靜態(tài)工況下面壓試驗結(jié)果 圖8 極端工作工況下的面壓云圖

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后密封性對比分析

針對箱體結(jié)合面滲油現(xiàn)象，通常有以下幾種改進措施：①增加合箱螺栓預緊力；②加寬合箱面；③增加合箱螺栓個數(shù)，調(diào)整螺栓間距[4]。采取的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式如圖10所示：在6～7號螺栓之間增加一顆螺栓13，減小滲油區(qū)域間的螺栓間距。

對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的箱體再次進行極端工作工況下的密封性分析，左箱蓋與左箱結(jié)合面的面壓分布云圖如圖11所示，由于增加了13號螺栓，6～7號螺栓間的面壓明顯增加。張開量云圖如圖12所示，最大張開量出現(xiàn)在1～2號螺栓間，僅為4.6 μm，小于密封膠的厚度，6～7號螺栓間的張開量由原結(jié)構(gòu)的13.4 μm變?yōu)?.9 μm，降低了78.4%，原滲油區(qū)域的密封性能明顯提升，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的箱體在后續(xù)路試過程中未反饋滲油現(xiàn)象，進一步證明了優(yōu)化措施的有效性。

圖9 極端工作工況下的張開量云圖 圖10 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的示意圖

圖11 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后極端工作工況下的面壓云圖 圖12 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后極端工作工況下的張開量云圖

5 結(jié) 語

利用Ansys Workbench軟件，采用接觸非線性有限元方法，對某雙離合變速器左箱蓋與左箱結(jié)合面的密封性進行了仿真分析：

(1) 分析了靜態(tài)工況下左箱蓋與左箱結(jié)合面的密封性，并與面壓試驗結(jié)果對比，驗證了有限元分析方法的正確性。

(2) 分析了極端工作工況下左箱蓋與左箱結(jié)合面的密封性，分析結(jié)果與故障現(xiàn)象吻合。

(3) 提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案并重新進行分析對比，滲油區(qū)域的張開量降低了78.4%，密封性能得到明顯提升，有效地避免了滲油現(xiàn)象發(fā)生。

該分析方法為評價變速器箱體結(jié)合面密封性優(yōu)劣提供了有效途徑。