某自動(dòng)變速器油底殼漏油分析與優(yōu)化

謝玉琳　韋進(jìn)光　黃振之　覃日錦　韋宏法

【摘? 要】油底殼作為自動(dòng)變速器上非常重要的零部件，與變速器殼體之間的密封設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。油底殼和變速器殼體結(jié)合面之間漏油是各汽車生產(chǎn)廠家面對(duì)的疑難問題，變速器油底殼漏油問題是由綜合性因素導(dǎo)致，必須進(jìn)行系統(tǒng)性分析才能找到根本原因。文章通過某車型自動(dòng)變速器油底殼漏油問題進(jìn)行分析研究，并對(duì)裝配過程進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，最終解決由于油底殼安裝螺栓扭矩衰減導(dǎo)致的漏油問題。

【關(guān)鍵詞】變速器；油底殼；漏油；密封；扭矩衰減；分析；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U463.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：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

油底殼是變速器潤(rùn)滑系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是儲(chǔ)存機(jī)油、滿足潤(rùn)滑系統(tǒng)工作時(shí)最大循環(huán)油量，收集從變速器各摩擦副及內(nèi)表面流面的潤(rùn)滑油，防止?jié)櫥脱趸?。要求油底殼與變速器之間密封連接，不允許漏油[1-2]。

而一般油底殼與變速器的密封方式主要是膠條密封，其中橡膠條密封的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)是在油底殼與殼體之間設(shè)置橡膠，并通過螺栓連接將油底殼安裝在箱體上，通過螺栓的壓緊力，使得橡膠條彈性變形，從而起到密封作用。

油底殼的密封結(jié)構(gòu)的功能是保證工作中不讓變速器內(nèi)潤(rùn)滑油流出，且保證外部的泥水、粉塵等不進(jìn)入變速器內(nèi)。若發(fā)生泄漏，則變速器的潤(rùn)滑和冷卻功能受損，導(dǎo)致變速器損壞。若外部泥水、粉塵等物體進(jìn)入變速器內(nèi)部，則容易導(dǎo)致潤(rùn)滑油乳化、齒輪軸承異常磨損、油道堵塞等嚴(yán)重問題。因此，變速器油底殼的密封結(jié)構(gòu)的可靠性對(duì)變速器的性能以及整車的安全性有著重要的影響。

1? 故障分析

1.1? 售后故障描述

接試驗(yàn)工程師反饋，試驗(yàn)過程中變速器殼體與油底殼密封面存在漏油現(xiàn)象，且殼體與油底殼均有明顯壓痕，檢查發(fā)現(xiàn)油底殼安裝螺栓扭矩衰減明顯，對(duì)于橡膠密封來說，螺栓扭矩嚴(yán)重衰減必然導(dǎo)致密封能力不足以致漏油。

因此解決此漏油問題的關(guān)鍵在于解決油底殼螺栓扭矩衰減的問題[3]，主要應(yīng)從設(shè)計(jì)角度分析原因并尋求改進(jìn)措施，故障反饋圖片如圖1～圖5所示。

1.2? 故障原因分析

油底殼與變速器的密封結(jié)構(gòu)如圖6所示。該車型油底殼與變速器殼體之間采用膠條密封，將帶有2條密封唇口的密封膠條放于油底殼和變速器殼體之間，再通過9顆彈墊螺栓穿過油底殼和密封膠條，將油底殼安裝在變速器殼體上以此來壓緊密封膠條，從而達(dá)到密封的效果[4]。

但此結(jié)構(gòu)存在以下問題。

1）安裝螺栓后，油底殼有微變形，導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力衰減，存在漏油風(fēng)險(xiǎn)[5]。

2）密封膠條只設(shè)置2條唇口數(shù)，密封效果不佳。

3）密封膠條安裝過程中定位不佳，容易出現(xiàn)膠條安裝不到位，部分膠條脫離油底殼，導(dǎo)致漏油的情況。

針對(duì)此結(jié)構(gòu)，可通過有限元分析油底殼應(yīng)力看油底殼螺栓安裝處是否已產(chǎn)生塑性變形。

2? 有限元模型的建立

2.1? 幾何模型的建立

在UG軟件中根據(jù)某車型變速器和油底殼的尺寸及相關(guān)參數(shù)對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行建模和裝配，并對(duì)配合關(guān)系進(jìn)行正確約束，建立三維實(shí)體模型，如圖7所示。本次分析僅考慮螺栓預(yù)緊工況，故為了提高計(jì)算效率，殼體只取局部跟油底殼連接部分進(jìn)行分析研究，如圖8所示。

2.2? 前處理及網(wǎng)格劃分

將建好的三維實(shí)體模型導(dǎo)入CAE軟件HyperMesh中進(jìn)行前處理及網(wǎng)格劃分。變速器殼體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，局部特征較多，尺寸變化大，直接對(duì)其進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分會(huì)使其網(wǎng)格品質(zhì)較差。

因此在網(wǎng)格劃分之前先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的幾何清理（對(duì)曲面進(jìn)行修復(fù)，螺栓孔、加強(qiáng)筋、凸臺(tái)、軸承孔等在保留其基本力學(xué)特性的前提下進(jìn)行簡(jiǎn)化處理[5]），前處理完畢后對(duì)變速器殼體、油底殼、膠條、螺栓、彈性墊片進(jìn)行網(wǎng)格劃分，除螺栓劃分6面體網(wǎng)格外，其他均采用4面體實(shí)體單元teramesh自動(dòng)劃分4面體網(wǎng)格，各部件單元類型及單元尺寸如表1所示。劃分后的模型由2843196個(gè)單元、691268個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。

2.3? 有限元模型的建立

零部件之間的連接條件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能的計(jì)算精度影響較大。根據(jù)有限元軟件ABAQUS在強(qiáng)度分析方面的特點(diǎn)，對(duì)油底殼進(jìn)行強(qiáng)度仿真時(shí)，按實(shí)際情況處理各裝配件之間的連接關(guān)系，變速器可采用固定約束，各部件之間創(chuàng)建接觸關(guān)系Contract，采用Bolt來模擬殼體與油底殼之間的螺栓連接并加載螺栓預(yù)緊力即可得到油底殼的有限元分析模型，如圖9所示。

油底殼由低碳鋼沖壓而成，建模時(shí)，根據(jù)其材料DC04設(shè)置材料屬性，彈性模量210GPa，泊松比0.3，密度7.89E+03kg/m3。變速器殼體由鋁合金鑄造而成，根據(jù)其材料ADC12設(shè)置材料屬性：彈性模量74GPa，泊松比0.33，密度2.76E+03kg/m3，另外，螺栓擰緊力矩5N·m，密封膠條的硬度65Hs。

3? 分析結(jié)果及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1? 分析結(jié)果

經(jīng)CAE分析得知油底殼各螺栓孔應(yīng)力均超材料屈服強(qiáng)度（210MPa），已產(chǎn)生塑性變形，與故障件吻合。其中最大應(yīng)力為252MPa，應(yīng)力云圖如圖10所示。

3.2? 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為解決上述出現(xiàn)的問題，改進(jìn)變速器油底殼的密封結(jié)構(gòu)，將現(xiàn)有產(chǎn)品的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下改進(jìn)：帶彈墊螺栓組件改用6角法蘭螺栓；在螺栓安裝處增加隔套；使用改進(jìn)型密封膠條；在油底殼與密封膠條之間涂粘膠。

此優(yōu)化結(jié)構(gòu)具備以下優(yōu)越性。

1）帶彈墊螺栓組件改用6角法蘭螺栓，增加螺栓與油底殼接觸面積，降低壓潰風(fēng)險(xiǎn)，從而降低螺栓預(yù)緊力衰減。且6角法蘭螺栓的接觸面積大，不會(huì)導(dǎo)致油底殼等零件變形，保持螺栓的裝配預(yù)緊力，從而保證密封膠條的貼合性，保證了密封的穩(wěn)定性。

2）在螺栓安裝處增加金屬隔套，設(shè)定隔套固定高度，設(shè)計(jì)理論狀態(tài)下，在螺栓壓緊力作用下，橡膠墊片被壓縮至金屬限位套兩端，分別與油底殼以及殼體剛性接觸，螺栓、油底殼、隔套及變速器殼體均為零間隙貼合，消除現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的螺栓預(yù)緊導(dǎo)致油底殼變形問題，從而使改進(jìn)型密封膠條的裝配壓縮量固定，這樣不僅保證了橡膠墊片壓縮量的一致性，還能避免由于油底殼與缸體之間完全靠橡膠墊片的軟接觸，螺栓的壓緊力完全靠橡膠墊片承擔(dān)，在橡膠墊片的壓縮應(yīng)力隨時(shí)間衰減之后，導(dǎo)致的螺栓力矩衰減問題。

3）改進(jìn)型密封膠條是在現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加一條密封唇口（3條唇口），讓密封唇口接觸應(yīng)力更均勻，提高密封效果。

4）在油底殼與密封膠條之間涂粘膠，使其貼合良好，消除安裝過程中導(dǎo)致膠條錯(cuò)位的風(fēng)險(xiǎn)。

優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖11所示，同時(shí)，經(jīng)過CAE分析得知，優(yōu)化后油底殼最大應(yīng)力下降至170MPa，小于材料屈服強(qiáng)度（210MPa），油底殼未產(chǎn)生塑性變形，如圖12所示。

4? 結(jié)論

本文通過系統(tǒng)地對(duì)漏油問題進(jìn)行排查和改進(jìn)措施的實(shí)施，找到了漏油問題的根本原因。經(jīng)過CAE分析，驗(yàn)證了油底殼產(chǎn)生塑性變形的問題，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化不僅能避開油底殼安裝變形問題，而且能確保密封膠條安裝到位，保持螺栓預(yù)緊力，從而切實(shí)消除漏油風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還優(yōu)化了密封膠條的唇口，可以使密封接觸面更加貼合，密封效果更優(yōu)，漏油問題得到了很好的解決。

此優(yōu)化方案雖然是針對(duì)變速器油底殼漏油問題提出的，但其理論成果具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景，稍加擴(kuò)展便可應(yīng)用于其他機(jī)械系統(tǒng)密封問題的分析和解決。

參考文獻(xiàn)：

[1] 龔亞航，向立明. 發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼的仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（17）：27-28.

[2] 高迎賓，袁帥，潘效龍，等. 某柴油機(jī)油底殼仿真計(jì)算分析[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（1）：58-59.

[3] 劉智峰. 發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼漏油原因分析及改進(jìn)[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件，2017（15）：70-71.

[4] 孫景新，楊繼光. 發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼漏油原因分析與處理[J]. 工業(yè)技術(shù)與職業(yè)教育，2016（14）：38-41.

[5] 吳洪亮，謝俠，周偉. 后背門安裝螺栓力矩衰減研究[J]. 汽車工藝與材料，2017（1）：22-25.

（編輯? 楊? 景）