汽车变速器壳体设计流程探讨

杨军

(广西玉柴机器股份有限公司，广西玉林 537005)

0 引言

变速器壳体是汽车核心零部件之一，壳体设计水平直接影响变速器的性能和可靠性。目前，变速器壳体设计主要关注以下几个方面：(1)变速器壳体用于安装、支承、容纳变速器传动部件、操纵机构及其他附件，变速器壳体在工作中承受复杂的载荷，壳体强度和刚度对保证轴齿正常运转至关重要。(2)壳体结构复杂、尺寸较大，是变速器中质量最大的零件，对轻量化设计提出很高的要求。(3)变速器工作中产生的噪声、振动和热量绝大部分由壳体吸收和传导，要考虑壳体在减振降噪方面的作用。(4)新能源变速器转速较高，飞溅润滑在很多情况下不能满足要求，通常选择强制润滑，壳体内部需要设计润滑油道。(5)新能源变速器集成电机、控制器等零部件，如何在满足传统设计要求的前提下，壳体设计达到紧凑、体积小、集成度高，对设计人员来说是一大挑战。

规范、合理的设计思路和流程可帮助设计人员在设计变速器壳体时做出正确选择，保证壳体设计水平。本文作者介绍了一种从顶层到底层的变速器壳体设计思路，对变速器壳体的设计流程、方法和要求进行了详细的探讨。

1 设计原则

设计原则为：

(1)变速器壳体设计应满足功能要求；

(2)满足强度和刚度要求是变速器壳体设计的重要原则；

(3)轻量化设计，严格控制壳体体积和质量；

(4)变速器壳体设计要考虑制造方法和工艺水平；

(5)变速器壳体设计要考虑装配的可行性，此外，还应方便维护、修理和更换零件；

(6)变速器壳体设计要严格控制相关尺寸以及公差精度，确保相配合的零件之间的精确的相对位置；

(7)对于内部油路、气路有要求的壳体，还应考虑壳体密封性。

2 设计步骤

主要设计步骤为：

(1)对变速器外部设计条件和内部设计条件进行详细准确理解，然后设计顶层骨架，基于顶层骨架进行壳体三维建模，包括模具建模、毛坯建模、加工成品建模；

(2)壳体建模完成以后，进行结构强度、刚度计算和振动模态分析计算，根据计算结果对模型进行优化设计或对多个方案进行对比；

(3)继续细化模型，充分考虑制造工艺性和经济性，最后设计二维图纸提供生产加工。

壳体设计流程如图1所示。

图1 变速器壳体设计流程

3 设计过程

变速器壳体设计前需要确定一些外部和内部的边界条件，如安装空间、各结合面尺寸规格、各安装接口、轴齿系统布置、操纵系统布置、润滑与密封系统布置等。以某新能源汽车变速器为例，主要的设计输入条件如表1所示。

表1 变速器壳体设计输入条件

3.1 壳体合套形式和材料

(1)壳体合套形式

常用的壳体合套形式有前后合套和上下合套两种。根据传动系统的布置结构进行选择，需要考虑装配工艺方案。

(2)壳体材料

设计初期可以初步确定壳体材料，以便开展初步的整机质量评估、供应商对接、成本分析等工作。

变速器壳体材料常用的材料是铸铁和铸铝。考虑轻量化要求，目前常选用铸铝材料[1]。铸铝壳体热处理工艺通常采用固溶处理和完全人工时效T6。其中人工时效的目的是在不降低力学性能的前提下，使材料内应力和机加工切削应力得到消除或稳定，以减少长期使用中的变形，保证几何精度。

3.2 顶层骨架设计

搭建变速器顶层骨架。在三维建模软件中将轴齿系统、操纵系统、润滑系统和输入输出接口等内外部条件的关键信息、关键位置建立基准坐标系、基准面、基准轴和基准草图，作为壳体设计建模的骨架。骨架与壳体三维模型相互关联，更改骨架即可调整壳体三维模型。在设计过程中，内外部设计条件、顶层骨架、变速器壳体模型需要动态地进行相互调整和匹配，顶层骨架即为设计条件与壳体设计之间的相互联系的桥梁，这就是基于顶层到底层的设计方法[2]。

变速器顶层骨架建立如图2所示。

图2 壳体顶层骨架设计

3.3 主体特征构建

导入骨架作为壳体设计基准，绘制壳体主体外形轮廓，添加主要结构特征，形成主要的结构实体。

壳体形状比较复杂，设计时应该先抽象出其主要的特征，然后逐步增加其他特征。壳体形腔一般都呈不规则曲面变化，用简单的拉伸剪切命令很难实现，可以在骨架中建立轮廓曲线作为腔体截面，起始和终止的截面为壳体两端面，确定扫描方向和轨迹，使用扫描实现外轮廓建模，如图3所示。

图3 壳体主体特征建模

3.4 重要特征构建

绘制壳体上的重要特征，如前结合面、后结合面、电机安装面等一些形体特征。在绘制这些特征时要考虑拔模方向并做出拔模角，并将这些实体与主体特征合并，如图4所示。

图4 构建重要特征

3.5 内腔建模成壳

设计壳体内腔模型。首先，壳体内壁与运动部件，如齿轮、齿套、拨叉、叉轴等零件之间的间隙要满足要求；另外，壳体内壁与静止部件之间的间隙、壳体底部储油高度也需要确定。其次，壳体壁厚在保证壳体有足够强度和刚度的前提下，尽量减小壁厚并保持截面的均匀一致，尽量避免截面壁厚突变，截面厚薄变化大的位置，易形成缩孔或裂纹等铸造缺陷。

内腔模型建立完成后，将主体模型与内腔模型相减，形成初步的壳体模型，如图5所示。

图5 形成壳体概念模型

3.6 细部特征构建

设计细部特征，如前后端结合面、其他零部件安装结合面、取力器口、悬置与支架凸台、螺栓孔柱、Logo等，如图6所示。

图6 设计细部特征

3.6.1 壳体结合面设计及螺栓孔布置

(1)壳体一般由螺栓联接固定，设计联接结构时，应尽可能提高联接刚度，确保变速器工作过程中结合面紧密结合。一般情况下，增加联接螺栓数量比增加螺栓直径对于提高联接刚度的效果要好；螺栓间距需要根据箱体结构布置、受力方向、螺栓规格等确定。两螺栓的连线称为压力线，压力线应尽量落在结合面的中心线上[3]，如图7所示。

图7 螺栓布置设计

(2)适当加大结合面的壁厚也可以提高联接刚度。

(3)为了保证密封性，结合面应保证一定宽度。结合面要保证粗糙度、平面度和平行度。

(4)必须考虑螺栓紧固工具的安装空间，比如扳手、套筒等所需的安装空间。

3.6.2 加强筋设计

加强筋的作用主要是增加壳体强度和刚度。此外，合理的加强筋的布置还有利于箱体散热。

加强筋的厚度选取应适中，筋太薄则强度刚度不足，筋太厚则增加质量，且易导致铸造缺陷。加强筋厚度一般不低于壁厚[4]。

轴承孔处受力较大，需要保证足够的刚度，以保证传动系统配合精度，因此轴承孔周围通常布置较多的加强筋。螺栓孔凸台周围、结合安装面周围通常也布置加强筋。

加强筋设计除借助经验和参考对标机型外，还可以借助CAE辅助设计。

3.6.3 油道设计

新能源变速器齿轮由于转速高，推荐采用主动强制润滑方式，通过壳体油道和油管把润滑油输送到需要润滑的部位。壳体油道尽可能设计成直线形或流线形，尽可能避免润滑油流向的突然改变，以减少流体阻力。润滑油道或油槽可以在壳体模具上铸造出来，但有时会导致铸造缺陷；油道也可以加工出来，但增加加工成本。设计时需要折中考虑，选取最佳方案。

3.6.4 悬置点设计

悬置点的位置选择和连接螺栓布置要考虑整个动力总成模态分析情况，另外还要考虑系列车型通用化问题。螺栓凸台要使用三角形网状筋加强，以降低应力集中带来的风险，如图8所示。

图8 悬置点设计

3.7 模型完善

检查壳体是否构建完整，是否满足内外部设计条件要求。最后用不同颜色为壳体标示加工面，壳体三维建模完成，如图9所示。

图9 加工面标示

3.8 分析计算

(1)强度计算。评价壳体强度是否符合设计要求；

(2)刚度计算。评价壳体变形量是否符合设计要求；

(3)结合面接触滑移计算。评价结合面密封性；

(4)疲劳强度计算。评价壳体在交变载荷下的疲劳强度是否符合设计要求；

(5)模态计算。评价壳体NVH特性。

3.9 绘制二维图

根据设计手册、工程规范、设计经验等资料，绘制壳体二维图，主要确定定位基准、尺寸和配合公差、形位公差、各加工面粗糙度、标识、清洁度、包装和检测要求等要求。二维图完成后提供生产单位进行加工制造。

4 结束语

文中介绍了变速器壳体设计流程，从顶层骨架搭建，到底层细节特征建立，一整套规范化的设计流程不仅可以保证产品设计水平，也能够缩短开发周期，减少设计人员工作量，提高设计效率为变速器壳体设计提供参考。