某车型变速箱横梁开裂分析及优化设计

李立波，洪健，顾海南，李盈盈

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某车型变速箱横梁开裂分析及优化设计

李立波，洪健，顾海南，李盈盈

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

针对某车型变速箱横梁在试验中开裂失效的现象，应用有限元方法对发动机悬置支架进行20工况分析；根据分析结果，部分工况下横梁支架应力超出限值；针对横梁结构进行两轮优化设计；结合台架试验和道路可靠性试验，满足设计要求。

变速箱横梁；应力分析；优化设计

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-13-03

前言

动力总成是汽车的主要激振源之一，动力总成悬置系统主要功能是支撑动力总成，对动力总成进行限位，同时衰减动力总成的振动；汽车悬置系统零部件的性能和可靠性设计直接影响悬置系统的隔振率及系统可靠性；悬置连接支架及横梁是动力总成悬置系统中关键零部件之一，起到支撑动力总成、连接减震部件、传递震动载荷的功能。由于车辆运动工况及路况的复杂性，对于目前悬置系统支架的可靠性开发，主要通过台架及强化道路的可靠性验证进行设计确认。

作为动力总成纵置布置车型，前悬置系统承载动力总成大部分载荷，一般在80%以上，变速箱悬置及横梁承载较小，在匹配分析的过程中对于后悬置的关注不高；针对纵置车型后悬置横梁在试验过程中出现开裂失效，开展分析优化工作，为了确定悬置支架的开裂原因，提升效率，采用CAE模拟分析计算，并开展优化分析，提出两种优化方案，根据计算结果，对优化方案进行评估；本文针对以上分析及试验完成变速箱横梁失效的原因分析及优化，解决变速箱横梁开裂问题，为悬置系统开发积累经验。

1、悬置系统布置结构及变速箱横梁失效模式

该纵置车型悬置系统采用经典的三点橡胶悬置布置形式，前悬置采用左右对称V字形布置结构，悬置软垫布置角度48°；后悬置采用单点V字形结构布置，通过一个横梁固定在左右车架上。由于考虑悬置系统通用性，变速箱横梁前部设计一个支架，装配动力总成后悬置软垫，支架下部设计有两块加强板。见图1。

图1 动力总成悬置布置形式及变速箱横梁结构图

根据验证结果，变速箱横梁出现开裂失效，失效位置在横梁焊接支架的两块加强板边缘，出现超出10cm的裂纹。根据初步判断，开裂处支架强度不足，导致开裂失效；针对该失效模式组织进行分析。

图2 变速箱横梁失效模式及位置

2、变速箱横梁载荷数据提取

为分析变速箱横梁的受力情况，进行动力总成质心转动惯量测量、悬置坐标、非线性刚度曲线采集以及20工况的载荷提取。

表1 动力总成坐标系下的惯性参数及车身坐标系下的质心位置

采集前后悬置软垫三向刚度曲线，见下图：

图3 前悬置软垫三向刚度曲线

图4 后悬置软垫三向刚度曲线

根据动力总成质心转动惯量测量、悬置点坐标、非线性刚度曲线数据，完成变速箱横梁20工况(悬置被动端)载荷提取，提取数据如表2。

在提取变速箱横梁(悬置被动端)20工况载荷的基础上，进行CAE分析，确认设计状态悬置支架的强度是否满足可靠性要求。根据悬置支架（被动端）数模建立有限元分析模型；冲压件采用SHELL单元离散，缝焊采用RBE2单元模拟。分析中使用的模型如图5所示。分析中使用ANSA、NASTRAN和HYPERVIEW等软件。

表2

图5 变速箱横梁分析模型

图6 变速箱横梁受力云图

根据CAE分析，在20工况下，变速箱横梁有8个工况均存在应力过大的风险，在7g后工况下，横梁支架应力达到1037.8Mpa，远大于目标320Mpa，根据分析结果，应力集中的部位与试验故障部位一致，分布在焊接加强板附件焊缝附近。具体分析结果见表6。

表6 变速箱横梁支架应力及安全系数

3、变速箱横梁优化

根据CAE分析及试验失效故障模式，变速箱横梁安装变速箱软垫的支架有8个工况应力超标，存在设计缺陷；主要应力集中在横梁支架加强板焊接部位；针对此部位，对加强板结构进行优化设计。

优化方案一：把两块加强板做成整体结构，同时加大加强板的Y向宽度，厚度(3.5mm)和材料不变。

优化方案二：采用双加强板结构，加强板增加X向折弯结构，厚度(3.5mm)和材料不变。

图7 优化方案一

图8 优化方案二

分别对两个优化方案进行有限元分析模型建立，开展CAE分析计算，重点对8个超标工况进行计算，结果如下。

表7 变速箱横梁8个工况支架应力

根据CAE分析计算结果，优化方案一应力有明显下降，但是只有1个工况达到要求，最大应力909.1Mpa，远超出设计要求，无法满足；优化方案二应力大幅下降，在原方案基础上应力平均下降62%；在7g后工况下，应力256.2 Mpa，超出320 Mpa指标要求；考虑7g后工况过极端工况，让步接收结果。

对于变速箱横梁优化方案二，组织进行台架试验及道路试验验证，通过验证，没有发生开裂失效，整改有效。

图9 各状态应力对比曲线

4、结论

通过以上有限元CAE理论分析，变速箱横梁开裂失效的主要原因是结构强度不满足设计要求。

针对失效模式产生的原因，优化变速箱横梁加强板结构，整改后的变速箱横梁应力平均下降62%，满足设计要求；经过台架试验及道路试验验证，有效的解决了横梁失效故障。

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Analysis and Optimization design on gear-box mounting beam of automobile

Li Libo, Hong Jian, Gu Hainan, Li Yingying
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Aiming at the failure of gear-box mount beam of an automobile. According to CAE analysis of structure design about twenty work condition, the stress is beyond the accepted standard under certain condition. Two optimization design are completed, by analyzing and calculating ,the optimized design meets the standard. The reliability test results showed that the optimized gear-box mounting beam was accorded to design.

gear-box mounting beam; stress analysis; Optimization design

U463.8

A

1671-7988 (2017)05-13-03

李立波（1978-），工程师，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.005