变速器箱体凸台断裂原因分析

1 概述
    某车型在道路试验中，在完成一定行驶里程的例行检查时，发现变速器右箱体与后悬挂连接的螺栓安装凸台断裂。初步判断是变速器上凸台强度不够，导致断裂；提出增加加强板，并对断裂处安装座凸台进行局部加筋，以加强强度。为了对断裂原因进行进一步的分析探讨，需要对变速器右箱体与后悬挂连接处安装座进行有限元分析。采用工程简化，只考虑后悬置处支架的支反力和断裂处安装座凸台处的螺栓预紧力，通过MSC Nastran进行求解，对比分析了变速器右箱体与后悬挂连接处安装座凸台的应力分布情况，并单独对连接处安装座凸台位置所需的螺栓预紧力进行了分析对比。通过分析，排除了安装凸台断裂是由于安装座凸台本身强度薄弱引起的意见。并通过试验与分析的对比研究，找到了断裂的可能原因。

图1 实际断裂现象描述

2 结构应力分析
    变速器右箱体的左侧端面通过螺栓与左箱体相连，右侧端面通过螺栓与发动机缸体连接，同时右箱体上的凸台通过螺栓与后悬置支架连接。考虑一定的分析简化，变速器只取右箱体，后悬挂只取与变速器右箱体相连接一侧的支架，右箱体与支架通过三棵螺栓连接。
2.1 网格划分
    螺栓属于比较规则的零件，且为了便于加螺栓预紧力，采用以六面体为主的单元进行规整的网格划分；右箱体和支架结构比较复杂，采用二阶四面体单元进行网格划分；右箱体、支架通过螺栓进行连接，所有接触表面采用MPC；右箱体与左箱体、右箱体与发动机缸体、后支架与发动机缸体的所有连接螺栓孔中心做rbe2单元。结点数和单元数见表1。

图2 完整的有限元模型 图3 螺栓预紧力模型
表1节点数和单元数

2.2 材料与属性

表2 计算中所使用的材料参数

2.3 载荷边界条件
    约束条件:
    1. 将变速器右箱体与左箱体相连处螺栓进行约束固定;
    2. 将变速器右箱体与缸体相连处螺栓进行约束固定;
    3. 后支架与发动机缸体相连的螺栓约束固定;
    集中作用力:通过悬置系统的多体动力学计算，得到后悬置在空档下，由于动力总成的自重在后悬置处产生的支反力，将此静力取一定的动载系数，作用在后悬置软垫中心点处；同时在后支架与右箱体的连接螺栓上加最大螺栓预紧力。
工况1. 验算动载系数取5g时的疲劳强度;
    集中作用力为 FX= -1874N; FY= -106N; FZ= 1002N;最大螺栓预紧力:22447N
工况2. 验算动载系数取10g时的抗拉强度;
    集中作用力为 FX= -3747N; FY= -212N; FZ= 2004N;最大螺栓预紧力:22447N
2.4 分析方案说明
    原状态为试验出现断裂的模型和状态，初始优化指增加和增高了实际断裂处凸台附近的加强筋和倒圆倒角的模型和状态。

图4 原状态和初始优化的CAD模型对比