某变速箱结合面漏油改进仿真分析

彭立印

（陕西法士特齿轮有限责任公司设计研究所，陕西 西安 710077）

1 问题描述

根据客户反馈，某变速箱频繁发生离合器与大壳结合面漏油故障。漏油故障一旦严重，极有可能引发变速箱烧箱故障。

图1 变速器漏油图片

目前主流变速器产品采用的都是非石棉抄取板材料衬垫，尽管在装配时采用相同的拧紧力矩，但使用车型不同，一些变速箱有辅助支撑，一些没有，并且铝合金变速箱的螺栓数目要多一些。因此本文针对这一现象，对该变速器的离合器壳体与大壳接合面进行密封性能分析，为后续的密封、紧固性能的改进提供理论依据。

2 分析内容

本文通过Pro-E建立壳体的三维模型，使用ANSA和ABAQUS进行有限元前处理，完成网格模型和分析模型，通过 ABAQUS 求解器进行分析计算和后处理，获得需要的分析数据。计算中单位制采用mm－T－s。

2.1 有限元模型及材料属性

为了最大限度的使分析结果接近实际情况，对变速器壳体、上盖壳体、后盖壳体及部分螺栓进行实体建模，各零件网格示意图如图2-1至2-5所示，相应的材料、单元类型、单元大小如表1所示。其中金属材料只使用弹性数据，忽略塑性变形，衬垫刚度小，网格加密，采用 ABAQUS衬垫单元建模。

图2

表1 各零件材料牌号

2.2 边界条件及加载

位移和载荷边界条件：分四个载荷步：

step-1：分别在远离接合面的位置约束离合器壳体和大壳壳体的三个平动自由度，并且施加螺栓预紧力，此步目的为是接触面收敛快。螺栓预紧力通过公式(1)求得：

式中，M为紧固螺栓扭矩；d为螺栓的公称直径，k为拧紧系数，取为0.23。计算得到M12的预紧力为32570N，M16的预紧力为53917N，M20的预紧力为83333N。

step-2：保留离合器壳体上的位移约束，保持螺栓载荷为current length，此步目的是计算只有螺栓预紧力情况下结合面密封情况。接触边界条件：衬垫与壳体的接触区域设置接触，选择小滑移，切向摩擦系数为0.1，同时为了加快计算收敛速度，在螺栓与壳体接触区域设置 Tie连接，或者采用MPC-BEAM单元模拟螺栓。

step-3：在step-2的基础上增加大壳及后盖轴承孔位置处的载荷，此载荷来自于发动机扭矩（该变速箱配置发动机最大扭矩为 2500N*m），此步目的是计算有螺栓预紧力和扭矩情况下结合面密封情况。

step-4：在step-3的基础上增加增加7倍向下重力、1倍水平重力载荷，此步为计算有螺栓预紧力和扭矩工况下下，考虑到震动加速度对结合面密封性能的影响。

3 分析结果

3.1 原始设计方案面压分析

图3

小结：当仅有预紧力时，密封垫右上部有密封压力；当考虑预紧力和扭矩时，密封垫右上部也有密封压力；若考虑到振动的情况，密封垫右上部密封压力很低，密封效果很差。

中间轴孔两侧位置的密封效果也比较差。

3.2 更改密封垫胶线设计面压分析

5 改进密封垫胶线设计

图4 离合器壳体螺栓布置

图6 改进胶线设计面压分析结果（从左到右：仅预紧力，预紧力+扭矩，预紧力+扭矩+振动）

小结：当仅有预紧力时，密封垫右上部有密封压力；当考虑预紧力和扭矩时，密封垫右上部也有密封压力；若考虑到振动的情况，密封垫右上部没有密封压力，没有密封效果。

3.3 增加螺栓数量面压分析

图7 离合器壳体螺栓布置

图8 改进密封垫胶线设计

小结：若仅考虑预紧力，密封垫右上部压力约为90MPa；若考虑预紧力和扭矩，密封垫右上部压力约为80MPa；若考虑到振动的情况（垂直7g，水平1g），密封垫右上部密封压力约为20MPa，能够起到较好密封作用。

图9 增加螺栓设计面压分析结果（从左到右：仅预紧力，预紧力+扭矩，预紧力+扭矩+振动）

4 结论

从以上分析结果可以看出， 壳体的密封性能受螺栓的分布、衬垫的设计等多方面影响。 计算结果显示，使用改进后衬垫，能够优化面压分布，一定程度上提升密封性能;增加螺栓来降低振动带来的幅值变化，改善螺栓松动现象。实际改进中既改进了胶线，也增加了螺栓，该改进方案已经实施一年，目前没有收到渗漏信息，证明该改进方案有效。