某混动AT变速器的密封与壳体应力分析

拜鼎邦，刘路，冯浩成，侯旭辉，严思敏

（1.西安法士特汽车传动有限公司法士特汽车传动工程研究院，陕西 西安 710100；2.陕西汽车控股集团有限公司技术中心，陕西 西安 710200）

引言

变速箱壳体是变速器系统的重要组成部分，箱体承受较大载荷并产生较大的变形和应力[1]。变速器的各轴均通过轴承支撑在箱体上，因此箱体的受力变形对变速器工作的可靠性和寿命有较大影响；壳体间由密封垫密封，防止流动介质泄露。因此需要对变速器壳体的密封与壳体的强度进行可靠性验证。本文使用hypermesh、abaques软件对相关信息进行前处理、数据输入及结果提取，输出的结果信息对零件受压力、应力的状况有了直观表达，通过对得出数据的分析确认设计是否合理，以及在此基础上进行设计优化。

1 建模及参数确认

1.1 结构分析

本文混动 AT变速器结构为：前壳通过与 P2外壳通过16个M10螺栓连接，P2外壳与主壳通过22个M8螺栓连接。根据法士特标准，M10螺栓拧紧力矩为55 Nm，M8螺栓为28 Nm；拧紧系数0.24，M10螺栓预紧力为22.92 KN，M8螺栓预紧力为14.58 KN。单元类型：坚固零件用C3D10M单元，密封垫用GK3D6N/GK3D8N单元。

图1 变速器结构图

前壳与P2壳侧：M10螺栓与前壳轴向连接，μ=0.15；水套与 P2壳螺纹约束；前壳与密封垫 1轴向连接，μ=0.15；M8螺栓与水套轴向连接，μ=0.15。

P2壳与主壳侧：M8螺栓与水套轴向连接，μ=0.15；法兰与 P2壳轴向连接，μ=0.15,0.071间隙；P2壳与密封垫 2轴向连接，μ=0.15；M8螺栓与主壳螺纹约束，主壳与密封垫2轴向连接，μ=0.15。

1.2 约束的建立

动力传递形式：发动机、电机动力输入，变速箱后部动力输出；假设沿轴向（X向）的旋转约束位于两侧，意味着电机和变速箱内的扭矩都会对两侧有反作用力[2]。该分析着重于P2壳强度和密封垫密封的分析，载荷可由电机定子施加反作用力矩、制动器2施加反作用力矩给主壳。其中，电机定子通过水套表面分布的耦合要素施加反作用力矩，B2制动器通过耦合元件施加反作用力矩于摩擦片安装区域。

质量详细信息：电机定子配合模块25.90 kg，电动泵1.78 kg，阀板总成7.31 kg，油底壳1.77 kg，主壳内部模块42.59 kg。

1.3 加载情况

T1为电机扭矩；B2为制动器扭矩；Fv为电磁力。加载情况检验表如下：

表1 加载情况检验

1.4 材料特性

材料特性如下所示：

表2 材料特性

图2 密封垫压力-压缩量曲线

2 结果输出及数据分析[3]

2.1 壳体密封

（1）密封垫 1-载荷示例（压力单位：bar）分析工具为Abaqus v2018，如下图所示：

图3 密封垫1-载荷示例

小结：在所有密封面上均保持正接触压力，低风险。

（2）密封垫2-载荷示例（压力单位：bar），如下图所示：

图4 密封垫2-载荷示例

密封垫1-载荷示例小结：大部分密封表面上保持有接触压力，但有处接触压力相对较低；密封面两边都有一处压力为0。

（3）密封垫2-最大接触开口如下图所示：

图5 密封垫2-最大接触开口

小结：接触开口最大为加载情况2：螺栓预紧+热装；最大间隙为8.5 um，但在相邻腔室没有油，因此泄露风险不大。

2.2 壳体应力分布[4]

2.2.1 P2壳拉应力示例

图6 P2壳压应力示例

小结：壳体相关区域应力均低于壳体材料的拉伸屈服应力。

2.2.2 P2壳压应力示例

图7 P2壳压应力示例

小结：壳体相关区域应力均低于壳体材料的压缩屈服应力。

3 结果分析

3.1 密封结论

（1）各种加载情况下，大部分密封面上保持有压力，证明低泄露风险。

（2）预计在一小区域出现结合面开口，但该区域相邻处没有油，因此不存在密封风险。

3.2 壳体应力结论

在加载情况 2、9、10、11、12、13、14 时，有螺栓孔周围存在高应力区域。区域小、应力不高的风险较小，风险较大的通过设计更新解决，设计更新后仍存在很小区域应力超材料屈服应力，但由于面积小且位于边缘故风险较小。

3.3 总结

（1）在第一轮分析中，预测了壳体上的五个特征，压力较高区域超过壳体的屈服极限，其中三处被认为具有高风险，并进行了设计修改。

（2）该分析中的应力结果表明，设计修改后临界区的高应力已成功降低，在一些小区域仍观察到屈服，但是由于区域小应力大小有限，他们被认为是低风险区。综上所述，修改后的密封垫的密封性能通过，P2壳体的强度通过。

4 结论

文章使用abaqus软件对某混动AT变速器壳体的密封与应力进行了模拟分析，利用输出云图对壳体的密封和壳体强度进行了评估，识别了风险点并对如何优化提供了方向，优化后的结构再次进行分析，满足了设计要求。快速、准确地发现并解决了变速器可能出现的故障，保证了AT变速器的品质。