變速器放油螺塞位于變速器箱體的底部，方便安裝和拆卸，大大提升了變速器油更換的便捷

性。常用的放油螺塞材質(zhì)有鋼、鋁合金、鑄鐵。因放油螺塞并不承受外載，且放油螺塞安裝部位的材料通常為鋁合金，為保證不同溫度下螺塞變形的協(xié)調(diào)性，某變速器在開發(fā)過程中將放油螺塞的材質(zhì)由鋼切換為鋁合金。但在道路試驗時，出現(xiàn)了鋁合金放油螺塞的斷裂故障，初步懷疑其結構設計存在缺陷。

 

為了快速鎖定放油螺塞斷裂原因，進行優(yōu)化方案的對比分析，給產(chǎn)品設計提供理論依據(jù)，解決問題時應用仿真手段開展優(yōu)化工作，具有高效率、低成本、短周期、多方案等多方面優(yōu)勢。

 

本文主要應用 Abaqus 對放油螺塞進行分析，提取關鍵部位的密封壓力、Mises 應力和等效塑性應變（PEEQ）結果并進行評價。

 

結構及失效模式

放油螺塞通過螺紋與油底殼或者變速器箱體相連接，法蘭處通過放油孔 O 形密封圈實現(xiàn)密封。本方案的放油螺塞上同時集成有塑料油位管、油位螺塞、溢流孔 O 形密封圈，如圖 1（a）所示。

 

放油螺塞的主要失效模式是螺塞斷裂與橡膠密封圈漏油，如圖 1（b）所示。

 

 

圖 1. 放油螺塞的結構

 

有限元仿真分析（FEA）

變速器放油螺塞有限元仿真分析主要包括密封與強度分析，其中密封采用 2D 仿真，應用軸對稱模型；強度采用 3D 仿真，考察最大預緊力下螺塞是否有斷裂風險。

 

有限元建模

有限元模型（FE 模型）包括：放油螺塞、橡膠密封圈、變速器箱體，如圖 2 所示。

 

 

圖 2. 有限元模型.

 

材料參數(shù)

為了能夠真實反映放油螺塞材料的力學性能，由三家供應商分別制作測試樣件進行材料測

試。數(shù)據(jù)處理后獲得準確的仿真輸入?yún)?shù)，見表 1。

 

表 1. 材料名稱及參數(shù)

 

 

圖 3 為某供應商提供的鋁合金樣片力學性能測試過程及數(shù)據(jù)，根據(jù)測試曲線處理獲得材料

的屈服強度、抗拉強度及真應力-真應變曲線，用于 Abaqus 仿真輸入和結果的評價。

 

 

圖 3. 鋁合金樣片力學性能測試數(shù)據(jù).

 

約束與載荷

2D 分析：約束變速器箱體，給放油螺塞施加強迫位移，模擬安裝過程。

3D 分析：約束變速器箱體，在放油螺塞有效伸長段施加最大預緊力，模擬預緊力。

 

計算結果與評價

密封壓力

為避免橡膠密封圈出現(xiàn)漏油，同時因橡膠具有較強的自密封性能，設計時需要保證橡膠密封

圈與兩側法蘭的初始裝配接觸壓力大于介質(zhì)壓力的 0.5 倍，且密封壓力帶形成有效的閉合區(qū)。

 

經(jīng)過仿真，失效方案的橡膠密封圈的直徑 2.4mm，密封壓力達到 9MPa，遠超過介質(zhì)壓力，

因此優(yōu)化方案對橡膠漆的直徑進行優(yōu)化，調(diào)整為 2.25mm，密封壓力仍能達到 8MPa，密封性能滿足要求，無風險。但橡膠圈直徑的減小可以降低放油螺塞的受力，有利于提高放油螺塞的可靠性，因此優(yōu)化方案的橡膠圈直徑調(diào)整為 2.25mm。

 

圖 4 為某變速器放油螺塞的密封仿真結果。

 

 

圖4. 密封仿真結果

 

Mises 應力及等效塑性應變 PEEQ 結果

失效方案的 Mises 應力超過鋁合金材料的屈服強度，且塑性應變超過允許值。優(yōu)化放油螺塞的圓角后，應力集中得到明顯改善，且塑性應變值控制在 0.5%以內(nèi)，斷裂風險得到有效控制。失效方案的 Mises 應力達到 181MPa，優(yōu)化方案的 Mises 應力降低至 148MPa，應力集中現(xiàn)象得到顯著改善。

 

 

 

通過輸出放油螺塞圓角處關注區(qū)域的 PEEQ 結果，發(fā)現(xiàn)最大預緊力時，圓角有塑性變形產(chǎn)生，如圖 6 所示，因此需要進一步結合材料的承受極限判定風險大小。

 

 

圖6. 放油螺塞PEEQ結果

 

優(yōu)化方案的放油螺塞，隨著預緊力的增大，其 Mises 應力逐漸增大，當預緊力達到 6800N

時，開始產(chǎn)生塑性應變，當預緊力達到 15000N 時，PEEQ 值達到 0.39%，如圖 7 所示。因此對于放油螺塞的預緊力，須嚴格控制預緊力的大小。

 

 

圖7. 預緊力對放油螺塞PEEQ的影響.

 

圖 8 為最大預緊力條件下的 PEEQ 仿真結果與材料性能對比圖。最大預緊力時，螺塞的塑性應變不足斷裂延伸率的 40%，滿足設計要求。其中材料性能參數(shù)為多組測試樣本的力學性能最低值，保證了工程化產(chǎn)品的可靠性。

 

 

圖8. PEEQ仿真結果與材料性能對比.

 

結論

（a）利用 Abaqus 對變速器放油螺塞開展仿真分析，可以快速的對其密封性能及強度進行校核，確定失效的原因，針對性提供優(yōu)化建議并驗證優(yōu)化方案的有效性，有助于項目開發(fā)過程縮短周期、降低成本以及提高效率。

 

（b）放油螺塞的斷裂因素是多種多樣的，但最重要的因素是螺塞預緊力及擰緊扭矩的大小，

直接決定了放油螺塞的應力是否進入材料的塑性區(qū)，因此要嚴格控制擰緊扭矩，在實際制定擰緊工藝前，需要進行螺塞預緊力的相關測試尤為重要。

 

（c）對于工作在塑性階段的部件，需要采用 PEEQ 進行風險評估，而非應力。材料的力學

性能在設計階段應當進行大量的測試，從而獲得材料可以穩(wěn)定工作的區(qū)域，指導產(chǎn)品設計，避免市場上批量問題的出現(xiàn)。

 

（d）本案例中放油螺塞的優(yōu)化設計方案已經(jīng)順利完成道路試驗驗證，驗證了仿真手段在變

速器問題解決過程中的重要作用。

 

資料來源：達索官方