变速箱壳体开裂问题研究与对策

李乐艳，陈炎

(1.北京汽车股份有限公司株洲分公司,湖南株洲 412007；2.福田欧辉环境装备事业部，湖南长沙 410129)

变速箱壳体开裂问题研究与对策

李乐艳1，陈炎2

(1.北京汽车股份有限公司株洲分公司,湖南株洲 412007；2.福田欧辉环境装备事业部，湖南长沙 410129)

某型变速箱壳体出现了开裂问题。从模态、结构强度和材料等方面针对开裂问题进行研究，得出开裂的根本原因是结构强度不足和材料性能差。通过加强结构和更换材料，解决了开裂问题，提供了一种解决此类问题的方法和策略。

变速箱壳体；开裂；方法与对策

0 引言

汽车机械式变速箱是汽车一个重要的系统总成，由于汽车特别是重型车辆工作条件恶劣，变速器载荷大、挡位多，因而也是汽车所有总成中故障出现频率较高的总成之一[1]。特别是变速箱壳体，作为固定和支撑整个变速箱的骨架，它不但受到外界复杂路面工况的冲击，还受到变速箱内部扭矩传递和齿轮啮合反作用力等复杂工况的作用。变速箱壳体的质量和可靠性决定了变速箱的使用寿命，因此设计一款强度足够、可靠性高、价格便宜实惠的变速箱壳体是人们追求的目标。文中所研究的这款变速箱壳体在使用过程中出现了开裂的质量问题，如图1所示。此质量问题严重影响了车辆使用寿命，带来了巨大的经济损失。因此分析开裂的原因并找出应对策略，不但能够减少损失，并且对于类似的开裂问题提供了一种解决的方法和思路，意义重大。

图1 变速箱壳体开裂图

1 原因分析

根据变速箱壳体开裂的形式和裂纹形状，初步分析导致开裂的原因有两种可能：(1)变速箱壳体的模态与发动机激励发生共振导致的共振破损；(2)结构和材料强度不足，在扭矩和齿轮啮合反作用力作用下发生破坏。

1.1 变速箱壳体共振分析

研究变速箱壳体是否发生共振，首先对壳体进行有限元离散化，计算出其模态振动频率和振型。模态振型结果如表1所示。该变速箱所配发动机为6缸4冲程发动机，怠速为700 r/min，最高转速为2 830 r/min。计算得到激振频率f的范围为35 Hz

表1 变速箱壳体模态计算结果表

1.2 结构强度分析

当变速箱位于一挡即起步挡位置时,所受到的牵引力最大,所以选取一挡时变速箱壳体所受外力作为外载荷。变速箱在工作过程中,受力是通过轴承与壳体相接触来传递的,故分析壳体的受力情况时,先要分析轴承的受力情况。为了计算变速箱壳体所受的力,须先得到变速箱内各齿轮对间的力,这些力通过齿轮和齿轮轴传到轴承上,再由轴承传到壳体上[2]。因此以一挡工况为结构静力学分析工况。

此变速箱壳体使用HT200材料，其材料性能如表2所示。此变速箱壳体在使用过程中时刻处于较复杂的工况下，对疲劳系数有高的要求，换挡的过程中时常受到变速冲击的影响，对动载系数有较高要求。因此其安全系数取3以上，许用应力σ=σs/s=195/3≈65 MPa。

表2 HT200材料特性

对此变速箱壳体进行有限元建模，并且加载在一挡起步时的各轴孔载荷，对其进行结构静力学分析，得分析结果如表3所示。可以看出：飞轮壳和后输出端应力分别为13和65 MPa,低于或等于65 MPa，但是壳身和后盖应力分别为159和136 MPa,远远大于许用应力65 MPa。其最大应力分布处恰好与实际裂纹开裂处一致，可见结构和材料强度不足是导致变速箱壳体开裂的根本原因。

表3 结构静力学分析结果表

2 应对策略

通过分析变速箱壳体的结构和材料，找到开裂的根本原因，制定以下方案，对其进行优化改进。首先是结构的优化改进，具体的改进方案如表4所示。在壳体顶部加凸筋和大斜筋，壳体上部的板厚加厚，两侧加凸筋加强，壳体内部垂直过渡改为大斜角过渡。经过此系列改进后，变速箱壳体强度得到大大加强。

表4 结构优化改进表

结构改进后，将原来使用HT200材料的部件进行材料更换，具体材料的更换如表5所示：壳身、后盖和后输出端改为HT400材料，许用应力由65 MPa提升至133 MPa。更换材料后，变速箱壳体材料的许用应力大大提升，进一步提升变速箱壳体的强度性能。

表5 材料更换表

3 优化后强度性能评估

对优化改进后的壳体进行结构静力学分析，得出其强度性能结果如表6所示。可以看出：优化改进后壳身和后盖的应力由159降为80 MPa，低于许用应力133 MPa；变速箱后盖许用应力由136降为113 MPa，低于许用应力133 MPa，满足强度设计要求。表明经过系列改进加强后达到了预期目的，解决了导致开裂的强度不足问题。

表6 优化结构静力学分析结果表

4 结论

通过有限元仿真等手段找出了导致变速箱开裂的根本原因。通过结构优化改进和材料更换两个策略来提升变速箱壳体的强度性能。对优化改进后的结构进行强度性能评估，评估得出优化改进后强度性能得到了大大提升，满足设计要求，圆满解决了变速箱壳体开裂问题。文中的研究内容提供了一种解决此类问题的方法和策略。

[1]周良，张斌.机械式变速箱常见故障分析[J].农业装备与车辆工程,2010(8):51-53.

ZHOU L,ZHANG B.Common Fault Analysis on Mechanical Transmission[J].Agricultural Equipment & Vehicle Engineering,2010(8):51-53.

[2]张少睿，罗应兵，李大永，等.镁合金汽车变速箱壳体强度分析[J].机械科学与技术,2004,23(2):154-156.

ZHANG S R,LUO Y B,LI D Y,et al.Strength Analysis of Magnesium Alloy Gear Box[J].Mechanical Science and Technology,2004,23(2):154-156.

ResearchandCountermeasureonCrackingofGearboxShell

LI Leyan1,CHEN Yan2

(1. Zhuzhou Branch,Beijing Automobile Co., Ltd., Zhuzhou Hunan 412007,China；2.Foton AUV Environmental Equipment Division, Changsha Hunan 410129, China)

A gearbox shell has cracked. The cracking problem was studied from the aspects of modal analysis, structural strength and material. The root cause of cracking was the lack of structural strength and poor material properties. Through structural strengthening and material replacement, the problem of cracking was solved. It provides way and strategy to solve such problems.

Gearbox shell；Crack；Methods and countermeasures

2017-04-05

李乐艳(1978—)，男，学士，研究方向为汽车传动系统零部件设计、生产制造管理、BOM及数据管理。E-mail:lileyan@baicmotor.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.08.013

U463.212+.4

B

1674-1986(2017)08-056-03