12挡变速器铝合金后盖分析试验与改进

韦博，刘伟锋



12挡变速器铝合金后盖分析试验与改进

韦博，刘伟锋

（陕西法士特集团公司汽车传动工程研究院，陕西 西安 710119）

文章使用有限元分析方法结合试验方法，分别针对铸造成品率低和强度不足，从数据统计、原因分析、方案制定、试验设计、强度计算、结构改进到最终验证，建立了一套完整的分析流程，对12挡铝合金后盖进行两次分析改进。最终显著提高了成品率和结构强度，有效缩短了设计改进和试验周期，提高了设计效率，降低了开发成本。

后盖；有限元；改进；压铸

1 引言

后盖壳体开裂的主要影响因素除毛坯铸造缺陷和输入扭矩的大小外，还与整箱的悬置方式、受到的振动载荷、传动轴不平衡及主轴轴承的配合等多方面因素相关。

本文首先针对工艺部门反馈的12挡铝合金后盖（如图1所示）存在的铸造缺陷多、成品率低、铸造困难等问题，结合有限元分析方法，在保证强度的条件下，对后盖作了结构改进和优化，有效解决了铸造工艺中存在的问题。

进一步，随着整车大马力的趋势，针对后盖主轴轴承孔周围容易开裂问题对此后盖进行了结构优化改进，在不降低铸造成品率的基础上提高了强度。

图1 12挡铝合金后盖

2 原后盖结构

2.1 铸造问题反馈

2016.6铸造工艺部门反馈，JSD220/180-1707015-Y后盖壳体内部缩孔，外部漏气及热裂纹，产品装配漏气。2016年JSD220-Y后盖125000件，JSD180-Y后盖65000件，通过评审、让步接收后大裂纹比例导致的报废10%；严重缩陷导致的报废15%。除过同时有大裂纹和严重缩陷的，总体报废比例约20%，即铸造成品率80%。主要故障部位如图2所示。

图2 压铸缺陷部位

2.2 压铸缺陷原因分析

压铸件应尽量保证壁厚均匀[3]，如图3所示，此后盖主轴轴承孔外围的螺栓孔和油孔之间壁厚太厚，达到17mm，是基本壁厚6mm的近3倍，易产生气孔、缩孔，导致漏气。

图3 漏气部位剖截面

如图4所示，两个螺栓孔凸台底部之间距离3mm，两凸台底面壁厚薄，先凝固，凸台高度高，材料后凝固,后凝固时需要其他部位补缩，对夹缝之间产生了一个拉应力，表面易产生热裂纹。零件图由于无拔模斜度，实际毛坯有拔模斜度，两个凸台底部距离更小。

图4 后盖毛坯裂纹位置

3 针对铸造缺陷的结构改进

图5 针对铸造缺陷的结构改进

图6 针对铸造缺陷的主要改进点

针对铸造缺陷进行的结构改进如图5所示，具体改进点如图6所示。

如图6所示，主要改进点如下：

（1）A部位移动筋的位置，圆角切平，尽量增大空间；

（2）B部位随型设计，壁厚由23mm减小到11mm；

（3）取消C部位基本不使用的贯通轴取力器预留结构，提高铸造质量的同时还能减重。

改进后铸造成品率97%以上。

4 售后故障分析

2017年对后盖开裂的实际故障进行多次统计，经过售后数据筛选和多次旧件查看，证明12挡铝合金后盖的主要故障形式为主轴轴承孔外围一圈开裂，严重的甚至主轴凸台掉落，如图7所示。

图7 12挡铝合金后盖售后主要故障形式

按照具体开裂部位，对小循环后盖进行分类，如图8所示，小循环2017年某月开裂部位占比如图9所示。

图8 开裂部位示意

图9 2017年某月小循环开裂部位统计

由图8、图9可知，主轴轴承孔凸台外围一圈的b、c、e占所有开裂部位的69%以上，因此后续开展的试验及改进工作主要集中在主轴轴承孔凸台外围一圈。

5 整车试验

制定了整车试验方案，基于以下目的：

（1）考察不同特征路面及实车道路条件下后盖加速度值及应变值；

（2）考察传动轴不平衡量对后盖的影响；

（3）将试验数据作为有限元分析的输入条件，进行强度分析，指导后盖结构改进。

图10 整车试验样车及传感器位置

部分整车试验照片如图11所示，试验结果如表1所示。

图11 部分整车试验照片

表1 整车试验结果总结

试验样车及传感器位置如图10所示，整车满载40t，后盖主轴轴承孔凸台上部筋结合处各贴一个应变片，斜面底部贴一个应变花，凸台斜向上筋侧面贴一个应变片，两个加速度传感器分别位于主轴后轴承盖上方和后盖上方。

根据表1结果，确定加载条件，作为有限元分析的输入。

6 结构优化改进及有限元分析

此次改进共出了5种方案，本文筛选出两种方案（方案1、方案2）作为结果展示，并对比铸铁后盖。

按照图8所示开裂位置c对应工况，分析结果如图12所示。

图12 开裂位置c对应工况应力结果

按照图8所示开裂位置e对应工况，分析结果如图13所示。

图13 开裂位置e对应工况应力结果

按照图8所示开裂位置b对应工况，分析结果如图14所示。

图14 开裂位置b对应工况应力结果

具体计算结果总结如表2所示。

表2 有限元计算结果总结（单位：MPa）

由表2可知，方案1比方案2效果好，工况1的应力已经小于铸铁后盖，工况2和工况5也和铸铁后盖接近。改进效果良好。

7 结构优化改进方案确定

依据有限元分析结果，并和压铸工艺多次沟通确认之后，确定最终的改进方案如图15所示，红色筋为加强部位。

图15 结构优化改进最终方案

8 强度试验

图16 后盖强度试验

新结构后盖开模后，为进一步验证改进效果，对改前改后后盖进行了强度试验，法兰盘切割平面后用千斤顶加载，向上加载变速器正向安装，向下加载变速器倒置180度安装。

试验结果与有限元分析结果吻合，改进有效。

9 结论

本文对12挡变速箱铝合金后盖进行了两次改进，第一次解决压铸成品率的问题，经过结构改进后，铸造成品率从80%提高到97%以上。第二次解决主轴轴承凸台部位强度不足问题，通过整车试验确定了有限元分析的输入条件，最终改进结构在不影响铸造质量的前提下，强度提高40%以上，在新毛坯试制成功后进一步进行了强度试验，验证了有限元分析的有效性。

本分析利用有限元分析结合试验验证的方法指导后盖结构改进，大大缩短了后盖改进周期，降低了设计和试验成本。显著提高了后盖成品率和结构强度，提高了工作效率并降低了生产成本。

本分析提供的变速器总成中壳体问题的分析及解决的流程方法，对变速器的壳体类零件及其他类零件的设计改进具有重要的指导意义。

[1] 王望予.汽车设计[M].机械工业出版社,2004.

[2] 石亦平,周玉蓉.ＡＢＡＱＵＳ有限元分析实例详解[M].机械工业出版社,2006.

[3] 传海军.压铸基础知识.培训资料,2015.11.9.

Analysis and improvement of aluminum alloy back cover for 12-speed transmission

Wei Bo, Liu Weifeng

( Shaanxi Fast Auto Drive Engineering Institute, Shaanxi Xi'an 710119 )

This paper uses a finite element analysis method combined with a test method to establish a complete set of low and low casting yields, from data statistics, cause analysis, program development, test design, strength calculation, structural improvement to final verification. Analysis process, two analysis and improvement of the 12-seat aluminum alloy back cover. In the end, the yield and structural strength are significantly improved, the design improvement and test cycle are effectively shortened, the design efficiency is improved, and the development cost is reduced.

back cover; finite element; improvement; die casting

B

1671-7988(2018)19-67-04

U466

B

1671-7988(2018)18-67-04

CLC NO.: U466

韦博，男，1983年生，工程师，主要从事变速器设计、应用研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.024