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基于Abaqus的某变速箱壳体失效原因分析与优化设计

王雄,黄凤琴,王德伟,刘文丰,张志明,李相旺,黄河清

（东风汽车公司技术中心，湖北武汉430058）

摘要:某变速箱壳体在进行道路专项耐久性试验时，发生了破裂失效问题。本文采用仿真分析方

法，建立有限元模型，对变速箱壳体进行静强度分析和高周疲劳分析。分析结果表明，该变速箱

壳体具有疲劳失效的风险，且危险区域与试验产生的失效位置相吻合，确认了壳体破裂失效的根

本原因为疲劳失效。根据分析结果，对变速箱壳体进行了结构优化。优化后的变速箱壳体经过仿

真与单体试验验证，满足了设计要求。通过该问题的分析和解决，验证了该分析模型的有效性，

积累了变速箱壳体设计和仿真经验。

关键词：变速箱，壳体失效，有限元，疲劳分析

前言

变速箱是汽车动力总成的重要组成部件，主要由壳体、齿轮、轴承、轴以及其它零部件组

成。变速箱壳体固定和支撑着变速箱内部复杂的零部件，外部与发动机通过螺栓固定连接，还通

[1]

过悬置结构支撑在整车车架上。变速箱壳体体型比较大，形貌结构较为复杂，主要受到的载荷

为外界复杂路面工况的冲击，以及变速箱内部传动轴通过轴承施加到轴承孔上的扭矩和齿轮啮合

[2]

反作用力等复杂工况。为了保护内部零部件，保证齿轮传动机构的正常运转，变速箱壳体应当

具备良好的可靠性来抵抗内外载荷的冲击。变速箱的可靠性问题会严重影响到车辆的使用寿命，

[3-4]

可能带来巨大的经济损失。

本文中采用有限元仿真分析方法，找出了某变速箱壳体破裂失效的原因，并根据失效原因

提出了有效的改进方案，保证了项目的研发进度。通过该问题的解决，积累了相关经验，对车辆

研发具有非常重要的意义，同时对今后研发过程中的类似问题的再发防止能起到指导作用。

1故障描述和原因分析

某变速箱搭载整车在2.3万道路专项耐久性试验过程中，发生变速箱壳体破裂失效问题。状

态相同的两台试验车，第一台试验车行驶至5036km时，检查发现变速箱表面有油迹，壳体与左

悬置支架相连的根部有裂纹；第二台试验车在行驶至5498km时，在同样位置发现壳体破裂问题，

壳体破裂区域如图1所示。

图1.壳体破裂失效区域

与变速箱壳体相连接的左悬置结构如图2所示。左中支架与左悬置本体支架距离为12mm，

大于实际装车状态左悬置硬限位距离8.5mm，目视检查故障车辆，左中支架与左悬置本体支架

无凹凸坑洞区域，可判断未出现左中支架与左悬置本体的磕碰，可排除零件碰撞问题。

图2.左悬置结构

该车型前后两台试验车在约相等的试验里程下，在变速箱壳体相同部位出现壳体破裂问题，

说明该失效问题非偶然性发生。通过故障树分析，排除壳体材料缺陷，加工工艺等问题，通过

对失效区域的宏观和断口分析，变速器壳在顶部固定螺纹孔凸台底部开裂，裂纹长约5cm。打开

裂纹观察断口，断口呈现疲劳断裂特征，疲劳源区位于断口拐角外侧，疲劳源区疲劳台阶明显，

贝纹线清晰。同时结合金相检查、硬度测量以及化学成分分析，判断该壳体失效为疲劳失效。本

文采用仿真分析方法来确认其失效原因。

2仿真分析

2.1分析模型

经核查，同款变速箱搭载另一种车型完成过相同的2.3万公里道路耐久试验。为了确认失效

原因，文本通过有限元分析方法，对比建立了该变速箱搭载不同车型的2种左悬置模型，如图3

所示。整个有限元分析模型包括变速箱壳体以及与之相连的左悬置结构。比较两种方案，左悬置

结构不同，A方案为试验失效方案，左悬置结构中包括支臂与左悬置支架，均为铸造铝合金；B

方案为试验合格方案，左悬置结构为一个冲焊件支架。各零部件之间以M12实体螺栓连接。

(a)A方案(b)B方案

图3.有限元分析模型

模型中约束变速箱