解析变速器结合面的密封性有限元仿真与试验验证

针对某款纵置变速器在市场上反馈结合面有渗油，首先用有限元方法分析壳体结合面的静态间隙，再考虑变速箱的一档和倒档工况，分析壳体结合面的动态间隙，然后针对该壳体做了面压试验，验证了理论分析的正确性，同时找到漏油是由于壳体结合面质量造成。最后模拟变速器的实际装箱条件，涂上密封胶后再做面压试验，结果显示结合面的压力均匀，结合面密封可靠，证明理论设计无问题，为变速器壳体结合面密封性研究提供参考。

前言

变速器壳体是变速器结构中的重要组成部件，起到支撑、保护齿轮传动机构[1]和保存润滑油的作用。变速器壳体的密封性能对变速器的性能发挥很关键，对整车的使用也有一定影响，密封性能不好容易造成润滑油渗漏，一方面润滑油会流到路面，影响行车安全，污染环境；另一方面，润滑油流到变速器和发动机的壳体上会影响变速器和发动机的散热，同时油会吸附大量灰尘，影响维修和通风；变速器密封性能不好造成润滑油大量泄漏还会造成变速器传动效率下降，齿轮润滑不良，齿轮抱死、烧蚀等故障，影响行车安全等[2]。变速器的密封性能越来越引起主机厂的重视。

1变速器结合面静态间隙有限元分析

1.1有限元分析过程

有限元分析过程主要包括3个部分：前处理模块、求解模块和后处理模块[3]。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，是将壳体三维数模处理成有限元模型的工具，包括几何清理、网格划分、建立约束和施加载荷等；求解模块是有限元前处理结果的计算模块，将前处理结果计算成最终想要的分析结果；后处理模块是采集处理分析结果，将求解的结果提取出来，以数据或图形的方式表达出来。

1.2有限元模型

该变速器为三段式，分别为离合器壳、前箱体和后箱体，三段两两由螺栓固定，存在两个结合面。因为只分析壳体的密封性，所以不考虑壳体内的齿轴件。将壳体在三维软件中装配好后，再在各螺栓孔处建立螺栓三维模型，保存为stp格式，导入到hypermesh软件中，进行几何清理和划分网格，网格划分好后，在壳体的两结合面处建立接触对，摩擦面之间的摩擦因数设定为0.2，容差设为0.03，螺栓头与壳体平面也建立接触对，另将螺栓的螺纹与壳体的螺纹孔进行度tie处理，这样壳体的几何关系建立完成。如图1所示：


图1 变速器的有限元模型

1.3 边界条件与工况

汽车的动力总成在整车上是非刚性连接的，但单独考虑变速器可以看作是刚性连接，约束离合器壳端面与悬置，均约束6个方向上的自由度。分析结合面静态间隙时，只有螺栓预紧力，在螺栓上添加一对内拉力。分析动态间隙时，变速器一档和倒档承受的扭矩最大，所以只考虑一档和倒档工况。基于masta软件算出一、倒档工况下轴承孔的载荷，如表1、2所示：



表1 一档工况各轴承孔的载荷（单位 KN）注：表中变速器坐标与整车坐标一致。

根据表1、2的工况，分别在各轴承孔处添加相应方向载荷。

1.4 有限元分析结果

1.4.1静态间隙结果

静态时只考虑螺栓预紧力，将有限元模型导入abaqus软件中，在螺栓中部添加bolt load[4] 载荷，计算结果如图2、3所示：


图2 后箱体与前箱体结合面静态间隙


图3 离合器壳与前箱体结合面静态间隙

从图2、3上看，结合面大部分区域结合紧密，分布在螺栓连线上的壳体表现较好，远离两螺栓连线的壳体存在间隙，定位销孔周围也存在间隙，除后箱体与前箱体上方定位销间隙大于0.05mm外，其它处间隙均较小。

1.4.2动态间隙结果

一档：除了考虑螺栓预紧力，还在各轴承孔处增加一档时的轴承力，计算结果如图4、5所示：


图4 后箱体与前箱体结合面一档动态间隙


图5 离合器壳与前箱体结合面一档动态间隙

倒档：除了考虑螺栓预紧力，还在各轴承孔处增加倒档时的轴承载荷，计算结果如图6、7所示：


图6 后箱体与前箱体结合面倒档动态间隙


图7 离合器壳与前箱体结合面倒档动态间隙

从动态间隙计算结果来看，结合面间隙与静态有一定区别，一档时前箱体与后箱体结合面间隙右侧变小，左侧变大，倒档时情况刚好相反；离合器壳与前箱体总体变化不大，动态情况下间隙均小于0.05mm。除1档的后箱体与前箱体定位销孔间隙最大，为0.1043mm；倒档时也是该处间隙最大，为0.0771mm，其它工况条件下均小于0.05mm，而变速器结合面是有密封胶的，这种硅胶最大拉升率为200%，静态时密封胶厚度为0.0847mm，最大容许结合面的间隙为0.1694mm，大于动态时的最大间隙0.1043mm，所以理论上变速器不存在漏油风险。

2 面压试验

2.1面压试验简介

面压试验是在两壳体的结合面上放一层压力测量胶片（俗称感压纸），感压纸能测出结合面之间的压力，感压纸显示的红色越深，说明结合面结合越紧密，压力越大；感压纸显示的红色越浅，说明结合较松，压力越小；感压纸无红色，则该区域无压力，说明该处存在间隙。根据变速器的装配工艺拧紧螺栓，放置2分钟以上，再拆除螺栓，取出感压纸，就可看到两结合面之间的压力分布。

2.2面压试验结果

试验一：壳体样本为仓库成品区中随机取；图纸要求螺栓扭矩为34~41N.m取中差，试验取螺栓扭矩取38N.m。面压试验结果如图8、9所示：


图8 试验一，前箱体与后箱体面压试验结果


图9 试验一，离合器壳与前箱体面压试验结果

从图8、9上看，感压纸在3、4、7、8、10、11、12、13、15、16、19处有空白间隙，对比前箱体，发现前箱体两端面均存在刀具震刀纹，刀纹造成该处压力空白；6、14处为定位销孔，该处存在一大片空白，说明该处压力较小，考虑是壳体的存油位置，该处压力不足，存在风险；1、2、3、4、5、12、13也存在压力不同程度偏小。

第一次试验后，感压纸上有空白的连续断线，它与前箱体的刀具震刀纹能对应起来，判断为刀具震刀纹造成的连续空白无压力区域，同时后箱体的平面度也严重超差，最大的平面度达到了0.11mm，远超过图纸要求的0.03mm。经过反复挑选，仓库中无法挑选到无刀具震刀纹的前箱体和平面度合格的后箱体；经协调重新加工了一套无刀具震刀纹，平面度合格的箱体后再做试验。

试验二：试验前检测壳体的平面度，符合图纸要求，均小于0.03mm，且无刀具震刀纹；安装时，螺栓扭矩为38N.m。试验结果如图10所示：


图10 试验二，前箱体与后箱体 离合器壳与前箱体 面压试验结果

1、3、4、5、6、8处相比第一次红色增多，压力在壳体内侧是连续的，空白断线不存在，有较大改善；两个结合面的定位销处压力还是不足，前箱体与离合器壳的结合面好于前箱体与后箱体结合面。

试验三：第二次试验后，感压纸还有压力不足处，怀疑是螺栓扭矩不足造成，将螺栓扭矩拧到50N.m，做了前箱体与后箱体结合面的面压试验，结果如下：


图11试验三 前箱体与后箱体面压试验结果

对比前两次试验，这次结果比前两次要好，不连续的空白较少，但2、3、4、5处外侧还是有空白区域，定位销也是样，说明增加螺栓扭矩对结合面密封有帮助，但壳体结构设计也非常重要。

3面压试验结果与有限元分析结果对比

将面压试验结果与有限元的结合面静态间隙进行对比，如图12、13所示：


图12 前箱体与后箱体结合面面压试验与有限元分析结果对比图


图13 离合器壳与前箱体结合面面压试验与有限元分析结果对比图

从图12、13可以看到，左侧面压试验空白区域与右侧有限元间隙分析可以对应起来，压力小的地方，间隙大，说明有限元分析结果没问题，有限元分析结果上无连续空白区域，说明该壳体密封性还是较好的。由于壳体结合面涂有硅胶，具有较大的间隙补偿作用，所以从理论上讲，壳体不会从结合面漏油。

4 箱体带密封胶的面压试验验证

箱体在没有密封胶的情况下，面压试验有些地方存在压力不足，有的地方甚至连续空白，存在漏油风险，为了验证有密封胶的情况压力是否均匀，在做面压试验时，装好感压纸，按正常装配工艺，在结合面上涂上密封胶，做出来的面压试验结果如图14所示：


图14 带密封胶的面压试验

从图14可以看出，红色分布较均匀，说明大部分区域均有压力，带密封胶的结合面密封性可靠。
为了验证结合面质量合格的箱体密封性，在涂胶装配后，按照整车倾角，加好油放置了两周时间，观察变速器结合面处未发现渗油；将该变速器装入试验车，跑20天，在结合面处亦无润滑油渗出，说明整改后的壳体密封性能合格，前期漏油是由于结合面质量不合格造成的。

5 总结

1）箱体结合面质量、平面度、螺栓拧紧扭矩、螺栓分布、结合面刚度、密封胶等对箱体密封性都有影响；

2）有限元分析结合面静态间隙与面压试验的结果一致，两种方式都能研究变速器结合面的密封情况，但面压试验只能做静态的压力分布，有限元可以分析不同工况下的动态间隙；

3）定位销位置设计尽量处于润滑油面以上，销孔和螺栓孔位置重合最佳，这样可以避免销孔处产生间隙；

4）壳体结合面理论上难免存在间隙，但要保证间隙不与内外腔相通，否则也容易造成漏油。