某自动变速器油底壳漏油分析与优化

谢玉琳　韦进光　黄振之　覃日锦　韦宏法

【摘  要】油底壳作为自动变速器上非常重要的零部件，与变速器壳体之间的密封设计尤为关键。油底壳和变速器壳体结合面之间漏油是各汽车生产厂家面对的疑难问题，变速器油底壳漏油问题是由综合性因素导致，必须进行系统性分析才能找到根本原因。文章通过某车型自动变速器油底壳漏油问题进行分析研究，并对装配过程进行优化和改进，最终解决由于油底壳安装螺栓扭矩衰减导致的漏油问题。

【关键词】变速器；油底壳；漏油；密封；扭矩衰减；分析；优化

中图分类号：U463.6    文献标志码：A    文章编号：1003-8639（ 2023 ）06-0097-02

Analysis and Optimization of Oil Spill of an Automatic Transmission Oil Pan

XIE Yu-lin WEI Jin-guang HUANG Zhen-zhi QIN Ri-jin WEI Hong-fa

（1. Kaiyue Technologies（LiuZhou）Co.，Ltd.，Liuzhou 545616；

2. SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou 545007，China）

【Abstract】As a very important part of automatic transmission，the seal design between oil pan and transmission shell is particularly critical. Oil leakage between the oil pan and the joint surface of the gearbox shell is a difficult problem faced by various automobile manufacturers. The oil leakage problem of the gearbox oil pan is caused by comprehensive factors，and it must be systematically analyzed to find the root cause. In this paper，the oil leakage problem of the oil pan of a vehicle's gearbox is comprehensively analyzed，and the assembly process is optimized and improved. Finally，the oil leakage problem caused by the torque attenuation of the oil pan installation bolt is solved.

【Key words】gearbox；oil pan；oil leak；seal；torque attenuation；analysis；optimize

油底殼是变速器润滑系统的重要组成部分，其主要功能是储存机油、满足润滑系统工作时最大循环油量，收集从变速器各摩擦副及内表面流面的润滑油，防止润滑油氧化。要求油底壳与变速器之间密封连接，不允许漏油[1-2]。

而一般油底壳与变速器的密封方式主要是胶条密封，其中橡胶条密封的主要设计特点是在油底壳与壳体之间设置橡胶，并通过螺栓连接将油底壳安装在箱体上，通过螺栓的压紧力，使得橡胶条弹性变形，从而起到密封作用。

油底壳的密封结构的功能是保证工作中不让变速器内润滑油流出，且保证外部的泥水、粉尘等不进入变速器内。若发生泄漏，则变速器的润滑和冷却功能受损，导致变速器损坏。若外部泥水、粉尘等物体进入变速器内部，则容易导致润滑油乳化、齿轮轴承异常磨损、油道堵塞等严重问题。因此，变速器油底壳的密封结构的可靠性对变速器的性能以及整车的安全性有着重要的影响。

1  故障分析

1.1  售后故障描述

接试验工程师反馈，试验过程中变速器壳体与油底壳密封面存在漏油现象，且壳体与油底壳均有明显压痕，检查发现油底壳安装螺栓扭矩衰减明显，对于橡胶密封来说，螺栓扭矩严重衰减必然导致密封能力不足以致漏油。

因此解决此漏油问题的关键在于解决油底壳螺栓扭矩衰减的问题[3]，主要应从设计角度分析原因并寻求改进措施，故障反馈图片如图1～图5所示。

1.2  故障原因分析

油底壳与变速器的密封结构如图6所示。该车型油底壳与变速器壳体之间采用胶条密封，将带有2条密封唇口的密封胶条放于油底壳和变速器壳体之间，再通过9颗弹垫螺栓穿过油底壳和密封胶条，将油底壳安装在变速器壳体上以此来压紧密封胶条，从而达到密封的效果[4]。

但此结构存在以下问题。

1）安装螺栓后，油底壳有微变形，导致螺栓预紧力衰减，存在漏油风险[5]。

2）密封胶条只设置2条唇口数，密封效果不佳。

3）密封胶条安装过程中定位不佳，容易出现胶条安装不到位，部分胶条脱离油底壳，导致漏油的情况。

针对此结构，可通过有限元分析油底壳应力看油底壳螺栓安装处是否已产生塑性变形。

2  有限元模型的建立

2.1  几何模型的建立

在UG软件中根据某车型变速器和油底壳的尺寸及相关参数对各个零部件进行建模和装配，并对配合关系进行正确约束，建立三维实体模型，如图7所示。本次分析仅考虑螺栓预紧工况，故为了提高计算效率，壳体只取局部跟油底壳连接部分进行分析研究，如图8所示。

2.2  前处理及网格划分

将建好的三维实体模型导入CAE软件HyperMesh中进行前处理及网格划分。变速器壳体结构较为复杂，局部特征较多，尺寸变化大，直接对其进行有限元网格划分会使其网格品质较差。

因此在网格划分之前先对结构进行相应的几何清理（对曲面进行修复，螺栓孔、加强筋、凸台、轴承孔等在保留其基本力学特性的前提下进行简化处理[5]），前处理完毕后对变速器壳体、油底壳、胶条、螺栓、弹性垫片进行网格划分，除螺栓划分6面体网格外，其他均采用4面体实体单元teramesh自动划分4面体网格，各部件单元类型及单元尺寸如表1所示。划分后的模型由2843196个单元、691268个节点构成。

2.3  有限元模型的建立

零部件之间的连接条件对系统结构性能的计算精度影响较大。根据有限元软件ABAQUS在强度分析方面的特点，对油底壳进行强度仿真时，按实际情况处理各装配件之间的连接关系，变速器可采用固定约束，各部件之间创建接触关系Contract，采用Bolt来模拟壳体与油底壳之间的螺栓连接并加载螺栓预紧力即可得到油底壳的有限元分析模型，如图9所示。

油底壳由低碳钢冲压而成，建模时，根据其材料DC04设置材料属性，弹性模量210GPa，泊松比0.3，密度7.89E+03kg/m3。变速器壳体由铝合金铸造而成，根据其材料ADC12设置材料属性：弹性模量74GPa，泊松比0.33，密度2.76E+03kg/m3，另外，螺栓拧紧力矩5N·m，密封胶条的硬度65Hs。

3  分析结果及结构优化

3.1  分析结果

经CAE分析得知油底壳各螺栓孔应力均超材料屈服强度（210MPa），已产生塑性变形，与故障件吻合。其中最大应力为252MPa，应力云图如图10所示。

3.2  结构优化

为解决上述出现的问题，改进变速器油底壳的密封结构，将现有产品的密封结构进行如下改进：带弹垫螺栓组件改用6角法兰螺栓；在螺栓安装处增加隔套；使用改进型密封胶条；在油底壳与密封胶条之间涂粘胶。

此优化结构具备以下优越性。

1）带弹垫螺栓组件改用6角法兰螺栓，增加螺栓与油底壳接触面积，降低压溃风险，从而降低螺栓预紧力衰减。且6角法兰螺栓的接触面积大，不会导致油底壳等零件变形，保持螺栓的装配预紧力，从而保证密封胶条的贴合性，保证了密封的稳定性。

2）在螺栓安装处增加金属隔套，设定隔套固定高度，设计理论状态下，在螺栓压紧力作用下，橡胶垫片被压缩至金属限位套两端，分别与油底壳以及壳体刚性接触，螺栓、油底壳、隔套及变速器壳体均为零间隙贴合，消除现有结构的螺栓预紧导致油底壳变形问题，从而使改进型密封胶条的装配压缩量固定，这样不仅保证了橡胶垫片压缩量的一致性，还能避免由于油底壳与缸体之间完全靠橡胶垫片的软接触，螺栓的压紧力完全靠橡胶垫片承担，在橡胶垫片的压缩应力随时间衰减之后，导致的螺栓力矩衰减问题。

3）改进型密封胶条是在现有产品结构基础上增加一条密封唇口（3条唇口），让密封唇口接触应力更均匀，提高密封效果。

4）在油底壳与密封胶条之间涂粘胶，使其贴合良好，消除安装过程中导致胶条错位的风险。

优化后结构如图11所示，同时，经过CAE分析得知，优化后油底壳最大应力下降至170MPa，小于材料屈服强度（210MPa），油底壳未产生塑性变形，如图12所示。

4  结论

本文通过系统地对漏油问题进行排查和改进措施的实施，找到了漏油问题的根本原因。经过CAE分析，验证了油底壳产生塑性变形的问题，通过结构优化不仅能避开油底壳安裝变形问题，而且能确保密封胶条安装到位，保持螺栓预紧力，从而切实消除漏油风险，同时还优化了密封胶条的唇口，可以使密封接触面更加贴合，密封效果更优，漏油问题得到了很好的解决。

此优化方案虽然是针对变速器油底壳漏油问题提出的，但其理论成果具有很强的应用前景，稍加扩展便可应用于其他机械系统密封问题的分析和解决。

参考文献：

[1] 龚亚航，向立明. 发动机油底壳的仿真分析与优化设计[J]. 内燃机与配件，2018（17）：27-28.

[2] 高迎宾，袁帅，潘效龙，等. 某柴油机油底壳仿真计算分析[J]. 内燃机与配件，2020（1）：58-59.

[3] 刘智峰. 发动机油底壳漏油原因分析及改进[J]. 内燃机与配件，2017（15）：70-71.

[4] 孙景新，杨继光. 发动机油底壳漏油原因分析与处理[J]. 工业技术与职业教育，2016（14）：38-41.

[5] 吴洪亮，谢侠，周伟. 后背门安装螺栓力矩衰减研究[J]. 汽车工艺与材料，2017（1）：22-25.

（编辑  杨  景）