汽车分动箱壳体设计与分析

26技术纵横轻型汽车技术20114总260汽车分动箱壳体设计与分析俞志平上汽商用车技术中心南汽研究院摘要本文以一个实例浅析了汽车分动箱壳体设计的基本要求，介绍了壳体的结构设计和CAD三维模型的设计思路，简述了普遍选用的材料及其特性，并通过有限元分析和台架试验验证壳体设计的合理性。关键词壳体设计CAD有限元分析台架试验L引言汽车分动箱作为传动系关键总成，用于分配传动系统的转矩，以满足汽车在不同工况下对牵引力的不同要求。分动箱壳体是安装分动箱各机件的基础件，起到安装、保护传动机构和容纳润滑油的作用。2壳体设计的基本要求为了保证分动箱内部零件相互之间精确的相对位置，这就要求重要表面的尺寸、几何形状和相互位置有严格的公差要求。分动箱工作时，会使壳体不同部位承受弯曲和扭曲。分动器接收到经变速器传递过来的发动机扭矩时，壳体要承受扭转，所以壳体要保证一定的扭转刚度。轴承座要有足够的刚度，以保证轴承工作可靠。分动箱总成壳体接合面也要有足够的刚度，以防止预紧螺栓时，密封部位变形导致渗油。壳体设计要轻量化，但是受到材料强度和铸造工艺允许的最小壁厚限制。壳体结构设计不合理，则会影响刚度要求。所以壳体设计有一个重要原则在满足刚度要求的前提下，尽可能轻量化。壳体设计得越紧凑，质量越轻。但是要保证壳体内壁与链轮齿顶有58MM间隙，如果间隙过小，会导致润滑油液压阻力增加，引起壳体过热。3选用材料汽车分动箱壳体一般采用铸造铝合金，而且含有适当数量的共晶体，以具备良好的铸造性能。常用的ALSI系合金的共晶体具备很好的机械性能和铸造性能。如果减少SI含量时加人少量CU，就会产生CUA12强化相，可以通过淬火和自然时效使合金得到强化，其抗拉强度最高能达到280MPA。材料选用的原则是有足够的强度、良好的铸造性能，同时成本低。本例分动箱采用压力铸造铝合金A1SI9CU3，其抗拉强度不低于200MPA。其热物性参数热导率、密度、比热、运动粘度，见图1。液相线温度为585；固相线温度为504G；凝固潜热为373KJKG。材料的热物特性决定铸造性能，此材料流动性好，能铸造成复杂零件，还具备良好的力学性、切削性和耐压性。笔一娶塞18O60402O8002OO4O06O08OO撇崖CAALSI9CU3的热导率轻型汽车技术20114总260技术纵横27O98096莹094彗092王090蠢088丑086O8408201OO2OO3OO4005OO6O07008OO9OO湿度LLCFHALSI9CU3的密度O1002OO3OO400S0O6OO70080O9OO温度CCCALSI9CU3的比热500550600650。F00,50800850温度DALSI9CU3的运动粘度图1AISI9CU3热物性参数4壳体的结构设计及模型建立目前，普遍使用三维设计软件工具，这就大大降低了设计工作量。首先，设计好产品内部的零件，包括齿轮类、轴类、轴承、油封和换档机构等。然后，设计壳体将这些零件包起来。简单地说，壳体就是给前面所述的零部件加上一件外衣，同时，要确保这件外衣与整车底盘环境相匹配。我们采用设计模具的思路设计此壳体。首先建凸模和凹模，和一个侧模，见图2、图3和图4；然后以这I个模具模型用布尔运算生成一个壳体毛坯数模；最后去除机加工余量，生成一个壳体成品数模，见图5。此铸件能保证生产时操作简单，适用于大批量生产。根据此材料特性，壳体壁厚可设计成3111FFL，轴承座壁厚需取6RAM，最大不超过8MM，密封面粗糙度的算术平均值最大32133，加T余量取15M13，拔模角一般取15。，主内腔的拔模角取65。图5实体模型5有限元分析根据分动箱的受力情况，在分动箱悬挂螺纹孑L处施加位移边界条件，则分动箱所受外力为其自身质量和由变速箱I档牵引所引起的作用力。分动箱在工作过程中，壳体受力是通过球轴承与壳体相瓦接触传递的，因此分析壳体受力情况时，先要分析轴承的受力情况。轴承与轴装在一起，通过计算分动箱内链轮链条之间的作用力，可以得到轴和轴承的反力。链轮与链条啮合工作相当于一个直齿圆柱外齿轮与一个直齿内齿条啮合工作。根据各轴传递的图2内模图3外模图4侧模扭矩，可以计算啮合齿轮间的切向作用力FT；然后由切向作用力和啮合角计算出齿间法向作用力FN，由此得到传动轴受力，并可以计算支撑反力得到轴承对分动箱壳体的作用力。计算公式为FT2TLD1，FNFTCOSOR2222222222日鹤髂OSOSO322LLM3谜饕臀艘28技术纵横轻型汽车技术20114总260式中T链轮传递的扭矩D，链轮节圆直径，这里取106RAM仅链轮啮合角，这里取315。根据车轮地面附着力推算出分动箱最大前输出896牛米，此扭矩也就是分动箱链轮传递的最大扭矩T。根据前面公式推算出作用力为16966N，再根据轴承位置算出各个轴承承载力表1。四个轴承布置见图6。表1分动箱轴承承载力L轴承IL作用力NLL182578475999367图6轴承布置示意图壳体有限元分析合格判断原则是安全系数不小于2，以及最大变形量不大于02毫米。图7CAE应力分析图8CAE变形分析经CAE分析，图7所示的轴承座红色区域是最薄弱的，其应力值最大，达到129MPA，但是安全系数达到20，满足最低设计要求。图8所示的红色区域是变形最严重区域，变形量为018MM，但是未超过设计要求的02MM。可以判断此壳体强度和刚度合格。6台架试验分析如果总成件通过壳体刚度静扭试验、润滑和温度试验与动力耐久试验，则判断壳体合格。61壳体刚度静扭试验此试验目的是测出壳体接合面最大相对偏差量，以验证壳体的刚度是否合格。壳体结合面的最大偏差发生在链轮链条啮合反作用力的方向上，找到这个发生位置，再在这位置附近测量3个点。测量偏差量之前，加载力矩到分动箱力矩容量设计额定值，本分动器取3200NM，力矩再回到0。在这个状态下测量偏差量。从以上状态开始，在正反两个方向以0一正向最大负荷一0一反向最大负荷一0的顺序依次加载力矩到分动箱力矩容量的2倍，测量相对偏差量。试验结果表明其相对偏差量仅为008MM，远低于标准值02RAM，说明壳体接合面刚度相当好。62润滑和温度试验此润滑试验台前后左右四个方向倾斜45。，模拟整车恶劣的驾驶实况，输入转速4000RPM，各个方向都保持一分钟，无油渗漏。可以判定通气部位结构设计合理，保证了整车在恶劣工况下，分动箱不渗漏，润滑试验见图9。图9润滑试验将试验台平放，设定分动箱转速4072RPM，此速度转换成车速是172KMH，正是整车设计的最大车轻型汽车技术20114总260技术纵横29速。试验要求分动箱以整车最大车速工作2J,M，油温不超过L500C。此试验结果见图10，可以判定分动箱壳体散热效果良好。图10分动箱温度试验结果63动力耐久试验此试验目的是检验分动箱总成的动力耐久性能。如果通过此试验，同时也说明了壳体质量合格。试验程序见表2。表2分动箱动力耐久试验程序分动箱动力耐久试验试验时间试验转速输入扭矩前输出后输出HITMLNMNLNNFFL159402099965113435L】O0179982797I9160011005065948283070032137854591414190224取3台样机做本次试验。试验过程均无异常现象，结束后拆解查看，传动件正常磨损，壳体无异常。可以判定壳体强度和刚度满足设计要求。6结论壳体的一般设计要求和材料的选用对汽车壳体设计具有借鉴意义。通过CAD数模与CAE技术的接合，可以发现设计的薄弱区域，通过改良模型，以达到设计要求，节约成本。本文介绍的几种试验方法对汽车分动箱壳体设计有较强的指导意义。参考文献1杨陆奕壳体设计原则在六档手动变速器中的应用汽车工艺与材料，200872邓洪超，马文星，康一坡基于多零件接触的重型汽车变速器壳体强度分析机械设计与制造200943姜银方，史德旗，严有琪，来彦玲汽车壳体件压铸模设计及有限元分析制造技术与机床201044史美堂金属材料及热处理，198075庞洪臣，王吉忠等HR601驱动桥变速箱壳体结构分析20077福特聚焦自适应安全气囊下一代福特FOCUS以自适应安全气囊为特点来改善正面碰撞保护。OEM声称该技术将在未来几年推广应用到福特其他计划车型上。这项技术对那些年长乘客特别有帮助，他们在碰撞中因约束系统施加的压力最容易受到伤害。福特乘员安全一体化监理FRANKHEITPLATZ说“当座椅安全带和安全气囊为所有年龄的驾驶员提供保护的时候，因冲击力