变速器放油螺塞位于变速器箱体的底部，方便安装和拆卸，大大提升了变速器油更换的便捷
性。常用的放油螺塞材质有钢、铝合金、铸铁。因放油螺塞并不承受外载，且放油螺塞安装部位的材料通常为铝合金，为保证不同温度下螺塞变形的协调性，某变速器在开发过程中将放油螺塞的材质由钢切换为铝合金。但在道路试验时，出现了铝合金放油螺塞的断裂故障，初步怀疑其结构设计存在缺陷。
为了快速锁定放油螺塞断裂原因，进行优化方案的对比分析，给产品设计提供理论依据，解决问题时应用仿真手段开展优化工作，具有高效率、低成本、短周期、多方案等多方面优势。
本文主要应用 Abaqus 对放油螺塞进行分析，提取关键部位的密封压力、Mises 应力和等效塑性应变（PEEQ）结果并进行评价。
结构及失效模式
放油螺塞通过螺纹与油底壳或者变速器箱体相连接，法兰处通过放油孔 O 形密封圈实现密封。本方案的放油螺塞上同时集成有塑料油位管、油位螺塞、溢流孔 O 形密封圈，如图 1（a）所示。
放油螺塞的主要失效模式是螺塞断裂与橡胶密封圈漏油，如图 1（b）所示。
图 1. 放油螺塞的结构
有限元仿真分析（FEA）
变速器放油螺塞有限元仿真分析主要包括密封与强度分析，其中密封采用 2D 仿真，应用轴对称模型；强度采用 3D 仿真，考察最大预紧力下螺塞是否有断裂风险。
有限元建模
有限元模型（FE 模型）包括：放油螺塞、橡胶密封圈、变速器箱体，如图 2 所示。
图 2. 有限元模型.
材料参数
为了能够真实反映放油螺塞材料的力学性能，由三家供应商分别制作测试样件进行材料测
试。数据处理后获得准确的仿真输入参数，见表 1。
表 1. 材料名称及参数
图 3 为某供应商提供的铝合金样片力学性能测试过程及数据，根据测试曲线处理获得材料
的屈服强度、抗拉强度及真应力-真应变曲线，用于 Abaqus 仿真输入和结果的评价。
图 3. 铝合金样片力学性能测试数据.
约束与载荷
2D 分析：约束变速器箱体，给放油螺塞施加强迫位移，模拟安装过程。
3D 分析：约束变速器箱体，在放油螺塞有效伸长段施加最大预紧力，模拟预紧力。
计算结果与评价
密封压力
为避免橡胶密封圈出现漏油，同时因橡胶具有较强的自密封性能，设计时需要保证橡胶密封
圈与两侧法兰的初始装配接触压力大于介质压力的 0.5 倍，且密封压力带形成有效的闭合区。
经过仿真，失效方案的橡胶密封圈的直径 2.4mm，密封压力达到 9MPa，远超过介质压力，
因此优化方案对橡胶漆的直径进行优化，调整为 2.25mm，密封压力仍能达到 8MPa，密封性能满足要求，无风险。但橡胶圈直径的减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，因此优化方案的橡胶圈直径调整为 2.25mm。
图 4 为某变速器放油螺塞的密封仿真结果。
图4. 密封仿真结果
Mises 应力及等效塑性应变 PEEQ 结果
失效方案的 Mises 应力超过铝合金材料的屈服强度，且塑性应变超过允许值。优化放油螺塞的圆角后，应力集中得到明显改善，且塑性应变值控制在 0.5%以内，断裂风险得到有效控制。失效方案的 Mises 应力达到 181MPa，优化方案的 Mises 应力降低至 148MPa，应力集中现象得到显著改善。
通过输出放油螺塞圆角处关注区域的 PEEQ 结果，发现最大预紧力时，圆角有塑性变形产生，如图 6 所示，因此需要进一步结合材料的承受极限判定风险大小。
图6. 放油螺塞PEEQ结果
优化方案的放油螺塞，随着预紧力的增大，其 Mises 应力逐渐增大，当预紧力达到 6800N
时，开始产生塑性应变，当预紧力达到 15000N 时，PEEQ 值达到 0.39%，如图 7 所示。因此对于放油螺塞的预紧力，须严格控制预紧力的大小。
图7. 预紧力对放油螺塞PEEQ的影响.
图 8 为最大预紧力条件下的 PEEQ 仿真结果与材料性能对比图。最大预紧力时，螺塞的塑性应变不足断裂延伸率的 40%，满足设计要求。其中材料性能参数为多组测试样本的力学性能最低值，保证了工程化产品的可靠性。
图8. PEEQ仿真结果与材料性能对比.
结论
（a）利用 Abaqus 对变速器放油螺塞开展仿真分析，可以快速的对其密封性能及强度进行校核，确定失效的原因，针对性提供优化建议并验证优化方案的有效性，有助于项目开发过程缩短周期、降低成本以及提高效率。
（b）放油螺塞的断裂因素是多种多样的，但最重要的因素是螺塞预紧力及拧紧扭矩的大小，
直接决定了放油螺塞的应力是否进入材料的塑性区，因此要严格控制拧紧扭矩，在实际制定拧紧工艺前，需要进行螺塞预紧力的相关测试尤为重要。
（c）对于工作在塑性阶段的部件，需要采用 PEEQ 进行风险评估，而非应力。材料的力学
性能在设计阶段应当进行大量的测试，从而获得材料可以稳定工作的区域，指导产品设计，避免市场上批量问题的出现。
（d）本案例中放油螺塞的优化设计方案已经顺利完成道路试验验证，验证了仿真手段在变
速器问题解决过程中的重要作用。
资料来源：达索官方
