文：格特拉克( 江西) 传动系统有限公司  薛云、罗涛、徐辉辉

摘 要: 变速器悬置是连接电机与变速器的关键接口，其机械性能不仅决定了悬置零件的使用寿命，而且关系到驾驶员及乘客的人身安全。本文以纯电动汽车后悬置为研究对象，对整车驻车耐久试验中所出现的后悬置断裂故障进行分析，对零件进行了外观检测、磁粉探伤、断口分析、材料分析等确认断裂的根本原因。

针对断裂原因，对悬置结构进行了优化，增加其强度，并经有限元分析、实验室验证，确认了优化后结构的可靠性。

关键词: 纯电动汽车 变速器后悬置 驻车试验 有限元 断裂

 引言

在世界能源紧张和日益严苛的汽车油耗目标及排放法规要求情况下，越来越多的汽车生产商开始考虑采用驱动电机替代传统的发动机，与减速器和差速器一起组成电驱动桥系统来实现驱动系统的电动化，相较于传统燃油车，电动汽车的构造有很大的不同，在传统内燃机汽车上最为常见的配置之一变速器也需要单独为电动车使用开发。此外消费者对汽车乘坐安全性要求舒适性的提高，电子驻车系统作为现代汽车主动安全技术之一将被日益受到重视。因此研发重量轻、效率高、噪音低、可靠的电子驻车的纯电动汽车用变速器不仅具有强烈的社会意义，也是在激烈市场竞争中最终胜出的重要砝码。

变速器悬置是汽车实现支撑电机、减缓各种冲击和降低噪声的重要系统，悬置系统各个零件设计的合理性直接影响着悬置系统的隔振性及可靠性; 变速器壳体悬置零件由于长期承受来自路面、变速器内部零件、电机等的循环载荷，容易产生疲劳裂纹进而断裂，因此悬置设计的可靠性尤其重要。

以某减速器壳体后悬置在进行驻车耐久试验过程中发生断裂为研究对象，经调查，该壳体悬置支架采用的材料为铸造铝合金 ADC12，在整车试验过程中同材质的左悬置未发生断裂。通过对零件进行了外观检测、磁粉探伤、断口分析、材料分析等分析，确认该悬置断裂的根本原因，并对悬置结构进行了优化，最终通过整车试验确认了优化后结构的可靠性。

1、 故障失效原因排查

分析对象为某新能源汽车整车驻车耐久试验过程中发生断裂失效的后悬置，失效工况为整车满载下，30% 坡道进行驻车耐久试验，变速器壳体断裂处位于螺纹孔与壳体连接的端部，整车悬置支架断裂位于靠近底部的横截面，如图1 所示，该支架和壳体材料均为ADC12 压铸铝合金。

1． 1 宏观断口分析

对变速器悬置凸台断裂口进行观察，断裂位置在悬置凸台的根部位置，断口宏观形貌如图 2 所示，断口整体呈灰色，未见明显腐蚀、疏松和气孔等铸造缺陷形貌，但在螺纹孔内壁靠近断裂根部上出现明显的局部挤压痕迹( 与之配合的连接螺栓相同位置处有明显的挤压和划痕) ，并且断裂横截面较平整，表现为典型的脆性断裂特征。

对与变速器悬置凸台连接的整车悬置零件断裂口进行观察，断裂处位于中部横截面，断口宏观形貌如图 3 所示，在断裂口上能明显看到的裂纹，由断口裂纹扩展方向以及疲劳裂纹宏观特征规律初步判断，该处应该是悬置断裂的起始位置。

1． 2 化学成分及机械性能分析

变速器壳体所用材料为压铸铝合金，合金代号是ADC12，将故障件的化学成分和机械性能经厂家复验，在断裂样品上切取化学试样，按照 GB/T 7999—2015标准采用光谱仪对断裂悬置零件的材料成分进行检测，各项化学成份检测结果均符合要求，结果见表 1。

同时，对故障件按照标准测试试样硬度和拉伸强度等要求，检测结果均符合零件强度和硬度要求，如表 2 所示，初步排除因材料成分差异导致故障的产生。

1． 3 外观及探伤检测

为了确认零件内部是否存在铸造气孔等缺陷，对故障件和同批次零件进行磁粉探伤检测，未发现有裂纹，然后进行 X 光探伤检测，发现个别零件内部有微小的铸造气孔，随后对有气孔的零件进行目测，发现在变速器壳体悬置凸台( 厚大部位) 根部附近，参照企业标准《铝合金压铸件标准》进行判定，在厚大非加工部位( 如螺栓凸台、预铸孔跟部等) ，X 射线结果参照附录 K( 左下角) ，其中等级 4 不可接受，其他等级均可接受。根据实际探测结果显示，低于 2 级要求，因此，气孔大小和个数符合铝合金压铸件标准要求。

1． 4 连接螺栓强度分析

重新对连接螺栓进行强度校核，校核发现螺栓的抗滑移系数只有 0． 67( 要求大于 1． 2) ，连接螺栓的连接强度存在一定的风险; 并且从实物分析发现，螺栓螺纹一侧处有明显的滑动和挤压的痕迹，为受到较大的偏载力等原因导致。

2、 断裂原因

正常情况下，变速器 + 电机由三个悬置支架( 左、右、后) 稳固的固定在整车上，任何一端出现悬置断裂将会导致电机 + 减速系统受力失衡，会出现一端出现偏载力。结合后悬置和壳体悬置螺栓孔断截面分析，判断是由于整车后悬置强度不够导致断裂，后悬置断裂后，在重力和汽车点头的循环冲击载荷的作用下导致整车后悬置和变速器壳体悬置螺栓孔受力扭断。因此，为了提高悬置强度和改善气孔等铸造缺陷，结构优化将要从如下几个方向进行优化。

( 1) 从模具本身出发，优化浇铸工艺，增加液体流动速度，减少浇铸时收缩和保证冷却均匀，从而改善气孔等铸造缺陷。

( 2) 加大悬置安装凸台根部的倒角，由当前的 Ｒ2改为 Ｒ4，降低悬置凸台根部应力集中。

( 3) 整车优化后悬置结构，优化加强筋的布置和螺栓分布。

( 4) 根据整车优化后的悬置，增加额外的悬置安装凸台，并在悬置安装凸台根部位置增加加强筋，进一步改善气孔和增加悬置强度。

3 、结构优化与验证

3． 1 结构优化

根据零件的具体断裂位置和上述分析结果，对悬置结构进行结构优化，优化前后的结构如图 6 － 7。为了改善气孔等铸造缺陷，在悬置厚大部位增加加强筋，并对断裂区域进行局部圆角优化，避免出现应力集中区域，同时，为了满足严苛的耐久工况，保证悬置的强度，额外增加了悬置安装点( 如图 7) 。

对优化的变速器悬置新结构进行 CAE 强度分析，图 8－9 为有限元模型，采用单元 C3D10 划分网格，变速器壳体选取的材料为 ADC12，其弹性模量为 210GPa，泊松比为 0． 3，模 型 包 含 980986 elements and 1692158nodes，边界加载: 全约束连接支架安装孔，壳体与悬置支架使用刚度耦合单元连接; 工况加载: 在壳体与悬置连接位置加载 28 工况力，同时，分析时考虑了螺栓的预紧力，详细的如表 4 所示。

表 5 分析了 4 种极限工况下( 包含 1． 4 倍的驻车冲击载荷) 的壳体悬置安装凸台的强度，从静强度 CAE分析结果来看，优化后的零件的最大应力为149Mpa ＜240Mpa，满足零件强度要求; 优化前和优化后的计算结果对比，优化后 4 种极限工况下的强度明显比优化前得到提高，最大优化率达到 19% 。此外，在进行核算时，考虑了一定的设计余量( 极限工况载荷乘于 1． 4 倍的系数) ，在该系数下强度满足要求。

   图 10 分析了整车悬置在极限工况 2 和 4 下的强度，在极限工况 2 下，优化后的零件的最大应力为 78．5Mpa ＜ 160Mpa，在极限工况 4 下，优化后的零件的最大应力为 86Mpa ＜ 160Mpa; 进一步说明零件的优化是有效的。

3． 2 试验验证

   搭载优化后的新零件进行整车试验，结构优化后的新壳体与悬置组装后分别进行整车底盘耐久测试和整车驻车试验，整车底盘耐久测试总里程达 20 余万公里，同时在满载、30% 坡度下的驻车耐久工况下均未出现裂纹、断裂等问题，进一步验证了优化后零件设计合理，零件强度、耐久等性能满足设计要求。

4、 结论

( 1) 根据后悬置支架在整车路试过程中失效的根本原因，提出了优化零件的方案。

( 2) 经过优化后，悬置强度明显加强，能够满足 1． 4倍极限载荷下的强度要求，同时变速器壳体悬置凸台结构强度提高了近 19%。

( 3) 对于失效件薄弱点进行优化设计，不仅提高了零件的强度，而且优化了铸造等缺陷，整车耐久验证后，优化后零件设计合理，零件强度、耐久等性能满足设计要求。