变速器取力器壳体开裂分析及优化设计

2015-12-31杨罡

机械工程与自动化 2015年1期

杨罡

（中国重汽集团大同齿轮有限公司技术中心，山西大同 037305）

0 引言

变速器是汽车底盘传动系统的主要部件之一，其功能是通过不同齿轮副的组合来达到变速和变矩的目的，主要由齿轮、轴、壳体、操纵机构、轴承等零部件组成。变速器应具有传动效率高、操纵轻便、稳定可靠等特点，根据整车的使用工况，有些变速器还应加装取力器。取力器是装在变速器外侧的部件，其从变速器内部获取动力，通过驾驶室的电磁阀来控制取力器的挂档和摘档，由取力器带动油泵或其他装置实现动力输出。

本文分析的取力器属于后置取力器，装配在变速器的后部，输入端从变速器内部的轴获取动力，输出端通过传动轴与整车油泵连接，由气路控制取力器的挂档和摘档。当气路打开，取力器挂上档后处于工作状态，从输入端获得的动力传递给输出端，使输出端的传动轴带动相关部件从静止状态变为转动状态开始工作。该取力器在市场使用过程中出现了壳体开裂的现象，本文通过对失效件进行分析和优化设计，达到消除故障的目的［1］。

1 取力器壳体开裂分析

拆检取力器壳体失效件进行分析，发现开裂起始部位在壳体中部左侧连接孔处，如图1所示。观察失效件并分析取力器的使用工况，发现如下特征：①取力器输出端带动的负载较大，在取力器开始工作的挂档瞬间会对取力器本体产生冲击，壳体承担了较大的载荷；②开裂部位处于壳体壁厚变化较大处，该处容易产生应力集中，当取力器工作时，此处在外力的冲击下可能产生开裂现象［2］。

本文利用ANSYS有限元分析软件对壳体进行强度分析，按照实际工况对各处施加约束，并通过合理的网格划分和边界条件设定，对取力器壳体强度进行分析计算［3］。图2为取力器原结构壳体应力云图。从图2中发现，计算结果与壳体实际发生开裂的位置吻合，中部左侧连接孔处应力最大，达到138.51MPa，下部轴承孔处和右侧壁薄处应力也较大。

图1 取力器壳体开裂失效件

图2 取力器原结构壳体应力云图

2 取力器壳体优化设计

取力器壳体的材料是 HT200，壁厚为6mm。HT200作铸件时壁厚和抗拉强度的关系如下：当壁厚为2.5mm～10mm时，其抗拉强度为220MPa；壁厚为10mm～20mm时，其抗拉强度会下降为195MPa。为减小应力集中，提高安全率，同时控制改进成本，将壳体壁厚改为8mm，并减小中部左侧连接孔处周围的壁厚变化，降低应力集中。图3为取力器壳体优化前、后对比。

图3 取力器壳体优化前、后对比

对优化后壳体进行强度分析，计算结果如图4所示。从图4中可看出，中部左侧连接孔处应力降低，下部轴承孔处和右侧壁薄处应力也降低，壳体最大应力为62.094MPa，壳体最大应力小于材料的抗拉强度，安全率较高，满足设计要求［4］。

图4 壳体优化后应力云图

3 优化后取力器壳体的试验验证

将壳体优化后的取力器总成装配到变速器上进行台架试验验证。台架试验采用输入端转动，输出端静止的方式模拟整车工况，用电控柜控制气路实现取力器的挂档和摘档动作。试验中对取力器连续进行挂档和摘档，反复冲击，连续试验84h，等效于装配取力器的整车在取力器普通使用频率下行驶了20万公里。试验完成后拆检取力器，壳体完好，无开裂等失效现象。