楊軍
(廣西玉柴機器股份有限公司,廣西玉林 537005)
變速器殼體是汽車核心零部件之一,殼體設(shè)計水平直接影響變速器的性能和可靠性。目前,變速器殼體設(shè)計主要關(guān)注以下幾個方面:(1)變速器殼體用于安裝、支承、容納變速器傳動部件、操縱機構(gòu)及其他附件,變速器殼體在工作中承受復(fù)雜的載荷,殼體強度和剛度對保證軸齒正常運轉(zhuǎn)至關(guān)重要。(2)殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大,是變速器中質(zhì)量最大的零件,對輕量化設(shè)計提出很高的要求。(3)變速器工作中產(chǎn)生的噪聲、振動和熱量絕大部分由殼體吸收和傳導(dǎo),要考慮殼體在減振降噪方面的作用。(4)新能源變速器轉(zhuǎn)速較高,飛濺潤滑在很多情況下不能滿足要求,通常選擇強制潤滑,殼體內(nèi)部需要設(shè)計潤滑油道。(5)新能源變速器集成電機、控制器等零部件,如何在滿足傳統(tǒng)設(shè)計要求的前提下,殼體設(shè)計達(dá)到緊湊、體積小、集成度高,對設(shè)計人員來說是一大挑戰(zhàn)。
規(guī)范、合理的設(shè)計思路和流程可幫助設(shè)計人員在設(shè)計變速器殼體時做出正確選擇,保證殼體設(shè)計水平。本文作者介紹了一種從頂層到底層的變速器殼體設(shè)計思路,對變速器殼體的設(shè)計流程、方法和要求進(jìn)行了詳細(xì)的探討。
設(shè)計原則為:
(1)變速器殼體設(shè)計應(yīng)滿足功能要求;
(2)滿足強度和剛度要求是變速器殼體設(shè)計的重要原則;
(3)輕量化設(shè)計,嚴(yán)格控制殼體體積和質(zhì)量;
(4)變速器殼體設(shè)計要考慮制造方法和工藝水平;
(5)變速器殼體設(shè)計要考慮裝配的可行性,此外,還應(yīng)方便維護、修理和更換零件;
(6)變速器殼體設(shè)計要嚴(yán)格控制相關(guān)尺寸以及公差精度,確保相配合的零件之間的精確的相對位置;
(7)對于內(nèi)部油路、氣路有要求的殼體,還應(yīng)考慮殼體密封性。
主要設(shè)計步驟為:
(1)對變速器外部設(shè)計條件和內(nèi)部設(shè)計條件進(jìn)行詳細(xì)準(zhǔn)確理解,然后設(shè)計頂層骨架,基于頂層骨架進(jìn)行殼體三維建模,包括模具建模、毛坯建模、加工成品建模;
(2)殼體建模完成以后,進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度、剛度計算和振動模態(tài)分析計算,根據(jù)計算結(jié)果對模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計或?qū)Χ鄠€方案進(jìn)行對比;
(3)繼續(xù)細(xì)化模型,充分考慮制造工藝性和經(jīng)濟性,最后設(shè)計二維圖紙?zhí)峁┥a(chǎn)加工。
殼體設(shè)計流程如圖1所示。
圖1 變速器殼體設(shè)計流程
變速器殼體設(shè)計前需要確定一些外部和內(nèi)部的邊界條件,如安裝空間、各結(jié)合面尺寸規(guī)格、各安裝接口、軸齒系統(tǒng)布置、操縱系統(tǒng)布置、潤滑與密封系統(tǒng)布置等。以某新能源汽車變速器為例,主要的設(shè)計輸入條件如表1所示。
表1 變速器殼體設(shè)計輸入條件
(1)殼體合套形式
常用的殼體合套形式有前后合套和上下合套兩種。根據(jù)傳動系統(tǒng)的布置結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇,需要考慮裝配工藝方案。
(2)殼體材料
設(shè)計初期可以初步確定殼體材料,以便開展初步的整機質(zhì)量評估、供應(yīng)商對接、成本分析等工作。
變速器殼體材料常用的材料是鑄鐵和鑄鋁??紤]輕量化要求,目前常選用鑄鋁材料[1]。鑄鋁殼體熱處理工藝通常采用固溶處理和完全人工時效T6。其中人工時效的目的是在不降低力學(xué)性能的前提下,使材料內(nèi)應(yīng)力和機加工切削應(yīng)力得到消除或穩(wěn)定,以減少長期使用中的變形,保證幾何精度。
搭建變速器頂層骨架。在三維建模軟件中將軸齒系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和輸入輸出接口等內(nèi)外部條件的關(guān)鍵信息、關(guān)鍵位置建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系、基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸和基準(zhǔn)草圖,作為殼體設(shè)計建模的骨架。骨架與殼體三維模型相互關(guān)聯(lián),更改骨架即可調(diào)整殼體三維模型。在設(shè)計過程中,內(nèi)外部設(shè)計條件、頂層骨架、變速器殼體模型需要動態(tài)地進(jìn)行相互調(diào)整和匹配,頂層骨架即為設(shè)計條件與殼體設(shè)計之間的相互聯(lián)系的橋梁,這就是基于頂層到底層的設(shè)計方法[2]。
變速器頂層骨架建立如圖2所示。
圖2 殼體頂層骨架設(shè)計
導(dǎo)入骨架作為殼體設(shè)計基準(zhǔn),繪制殼體主體外形輪廓,添加主要結(jié)構(gòu)特征,形成主要的結(jié)構(gòu)實體。
殼體形狀比較復(fù)雜,設(shè)計時應(yīng)該先抽象出其主要的特征,然后逐步增加其他特征。殼體形腔一般都呈不規(guī)則曲面變化,用簡單的拉伸剪切命令很難實現(xiàn),可以在骨架中建立輪廓曲線作為腔體截面,起始和終止的截面為殼體兩端面,確定掃描方向和軌跡,使用掃描實現(xiàn)外輪廓建模,如圖3所示。
圖3 殼體主體特征建模
繪制殼體上的重要特征,如前結(jié)合面、后結(jié)合面、電機安裝面等一些形體特征。在繪制這些特征時要考慮拔模方向并做出拔模角,并將這些實體與主體特征合并,如圖4所示。
圖4 構(gòu)建重要特征
設(shè)計殼體內(nèi)腔模型。首先,殼體內(nèi)壁與運動部件,如齒輪、齒套、撥叉、叉軸等零件之間的間隙要滿足要求;另外,殼體內(nèi)壁與靜止部件之間的間隙、殼體底部儲油高度也需要確定。其次,殼體壁厚在保證殼體有足夠強度和剛度的前提下,盡量減小壁厚并保持截面的均勻一致,盡量避免截面壁厚突變,截面厚薄變化大的位置,易形成縮孔或裂紋等鑄造缺陷。
內(nèi)腔模型建立完成后,將主體模型與內(nèi)腔模型相減,形成初步的殼體模型,如圖5所示。
圖5 形成殼體概念模型
設(shè)計細(xì)部特征,如前后端結(jié)合面、其他零部件安裝結(jié)合面、取力器口、懸置與支架凸臺、螺栓孔柱、Logo等,如圖6所示。
圖6 設(shè)計細(xì)部特征
3.6.1 殼體結(jié)合面設(shè)計及螺栓孔布置
(1)殼體一般由螺栓聯(lián)接固定,設(shè)計聯(lián)接結(jié)構(gòu)時,應(yīng)盡可能提高聯(lián)接剛度,確保變速器工作過程中結(jié)合面緊密結(jié)合。一般情況下,增加聯(lián)接螺栓數(shù)量比增加螺栓直徑對于提高聯(lián)接剛度的效果要好;螺栓間距需要根據(jù)箱體結(jié)構(gòu)布置、受力方向、螺栓規(guī)格等確定。兩螺栓的連線稱為壓力線,壓力線應(yīng)盡量落在結(jié)合面的中心線上[3],如圖7所示。
圖7 螺栓布置設(shè)計
(2)適當(dāng)加大結(jié)合面的壁厚也可以提高聯(lián)接剛度。
(3)為了保證密封性,結(jié)合面應(yīng)保證一定寬度。結(jié)合面要保證粗糙度、平面度和平行度。
(4)必須考慮螺栓緊固工具的安裝空間,比如扳手、套筒等所需的安裝空間。
3.6.2 加強筋設(shè)計
加強筋的作用主要是增加殼體強度和剛度。此外,合理的加強筋的布置還有利于箱體散熱。
加強筋的厚度選取應(yīng)適中,筋太薄則強度剛度不足,筋太厚則增加質(zhì)量,且易導(dǎo)致鑄造缺陷。加強筋厚度一般不低于壁厚[4]。
軸承孔處受力較大,需要保證足夠的剛度,以保證傳動系統(tǒng)配合精度,因此軸承孔周圍通常布置較多的加強筋。螺栓孔凸臺周圍、結(jié)合安裝面周圍通常也布置加強筋。
加強筋設(shè)計除借助經(jīng)驗和參考對標(biāo)機型外,還可以借助CAE輔助設(shè)計。
3.6.3 油道設(shè)計
新能源變速器齒輪由于轉(zhuǎn)速高,推薦采用主動強制潤滑方式,通過殼體油道和油管把潤滑油輸送到需要潤滑的部位。殼體油道盡可能設(shè)計成直線形或流線形,盡可能避免潤滑油流向的突然改變,以減少流體阻力。潤滑油道或油槽可以在殼體模具上鑄造出來,但有時會導(dǎo)致鑄造缺陷;油道也可以加工出來,但增加加工成本。設(shè)計時需要折中考慮,選取最佳方案。
3.6.4 懸置點設(shè)計
懸置點的位置選擇和連接螺栓布置要考慮整個動力總成模態(tài)分析情況,另外還要考慮系列車型通用化問題。螺栓凸臺要使用三角形網(wǎng)狀筋加強,以降低應(yīng)力集中帶來的風(fēng)險,如圖8所示。
圖8 懸置點設(shè)計
檢查殼體是否構(gòu)建完整,是否滿足內(nèi)外部設(shè)計條件要求。最后用不同顏色為殼體標(biāo)示加工面,殼體三維建模完成,如圖9所示。
圖9 加工面標(biāo)示
(1)強度計算。評價殼體強度是否符合設(shè)計要求;
(2)剛度計算。評價殼體變形量是否符合設(shè)計要求;
(3)結(jié)合面接觸滑移計算。評價結(jié)合面密封性;
(4)疲勞強度計算。評價殼體在交變載荷下的疲勞強度是否符合設(shè)計要求;
(5)模態(tài)計算。評價殼體NVH特性。
根據(jù)設(shè)計手冊、工程規(guī)范、設(shè)計經(jīng)驗等資料,繪制殼體二維圖,主要確定定位基準(zhǔn)、尺寸和配合公差、形位公差、各加工面粗糙度、標(biāo)識、清潔度、包裝和檢測要求等要求。二維圖完成后提供生產(chǎn)單位進(jìn)行加工制造。
文中介紹了變速器殼體設(shè)計流程,從頂層骨架搭建,到底層細(xì)節(jié)特征建立,一整套規(guī)范化的設(shè)計流程不僅可以保證產(chǎn)品設(shè)計水平,也能夠縮短開發(fā)周期,減少設(shè)計人員工作量,提高設(shè)計效率為變速器殼體設(shè)計提供參考。