(西安航空學(xué)院汽車(chē)檢測(cè)工程技術(shù)研究中心,陜西 西安 710077)

0 引 言

汽車(chē)變速箱傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的換擋撥叉作為汽車(chē)換擋結(jié)構(gòu)最重要的一部分，它的性能優(yōu)劣，始終讓設(shè)計(jì)師和駕駛員十分重視[1]。近年來(lái)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)性能指標(biāo)也在逐漸上升，而傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中最關(guān)鍵的變速器撥叉，它的強(qiáng)度優(yōu)劣在很大程度上影響著變速器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，影響傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的安全性和持久性[2]。實(shí)際中因變速器撥叉的強(qiáng)度不夠發(fā)生了斷裂等事故，嚴(yán)重影響換擋的平順性和安全性，而變速器的失效使車(chē)內(nèi)乘員的安全面臨很大的威脅[3]，故以某微型車(chē)上的變速器撥叉為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析并優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行分析，最后得到變速器撥叉強(qiáng)度上的最佳設(shè)計(jì)。研究的技術(shù)路線(xiàn)如圖1所示，研究的變速器撥叉實(shí)物如圖2所示。

1 建模與仿真

1.1 建 模

經(jīng)過(guò)對(duì)撥叉的參數(shù)測(cè)量后使用三維建模軟件CATIA對(duì)該實(shí)物進(jìn)行三維建模，所用相關(guān)功能特征包括：草圖、拉伸、挖槽、參考點(diǎn)、參考線(xiàn)、參考面、倒圓角、倒直角等，首先建立腳叉及撥叉軸兩個(gè)零部件，然后使用裝配模塊將腳叉固定后導(dǎo)入撥叉軸，然后裝配成型。建好的三維模型如圖3所示。

圖1 擬采用的技術(shù)路線(xiàn)

圖2 撥叉實(shí)物圖

圖3 變速器撥叉的三維模型

圖4 撥叉的網(wǎng)格圖

圖5 撥叉應(yīng)力云圖

1.2 有限元分析

(1)創(chuàng)建或?qū)霂缀文Ｐ?，使用CATIA建立的撥叉模型，故在CATIA中保存的時(shí)候選擇“stp”格式。導(dǎo)入轉(zhuǎn)變格式后的撥叉模型。

(2)定義材料屬性，添加材料，材料的密度，彈性模量，泊松比。

(3)劃分網(wǎng)格(節(jié)點(diǎn)及單元)，選擇Model，點(diǎn)擊Mesh，劃分默認(rèn)的網(wǎng)格。

(4)添加約束，選擇Static Structural(A5)，再點(diǎn)擊Supports選擇Remote Displacement在受力面和兩叉腳受力面添加約束。

(5)施加載荷進(jìn)行求解，點(diǎn)擊Loads選擇Forces，施加力。點(diǎn)擊Solution(A6)，點(diǎn)擊Equivalent Stress(等效應(yīng)力)，Equivalent Elastic Strain(等效彈性應(yīng)變)，Total Deformation(總變形)，獲得應(yīng)力變形云圖。

研究的撥叉添加的材料屬性如表1所示。

表1 撥叉的材料屬性

此次分析添加約束情況為，根據(jù)撥叉實(shí)際約束情況只能向Z軸負(fù)方向移動(dòng)，不能軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，因此約束XY方向上的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，約束Z方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)。

研究的撥叉劃分的網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，共劃分了4171個(gè)單元，7675個(gè)節(jié)點(diǎn))，最后劃分的網(wǎng)格如圖4所示。

圖6 撥叉結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

圖7 優(yōu)化撥叉應(yīng)力云圖

圖8 優(yōu)化撥叉應(yīng)力云圖

圖9 優(yōu)化撥叉應(yīng)力云圖

1.3 分析結(jié)果

零件受到載荷后的應(yīng)力云圖如下。從下圖中可以看出，該撥叉所受的最大應(yīng)力為46.159MPa，主要集中在固定撥叉軸的圓柱部件與兩爪相交的部位。如圖5所示。

2 撥叉的優(yōu)化

2.1 優(yōu)化方案

結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究分為三個(gè)層次：結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化(Sizing Optimization)、結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化(Shape Optimization)和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化(Topology Optimization)[4]。結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化已基本成熟，結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化比結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化困難一些，仍處于發(fā)展階段，而結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化非常困難，被認(rèn)為是最具挑戰(zhàn)性的課題，在工程設(shè)計(jì)中尚處在探索性的階段[5]。

研究選擇的優(yōu)化方案為對(duì)撥叉應(yīng)力最為集中兩爪的部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化前后對(duì)比效果如圖6所示，將撥叉兩爪應(yīng)力最為集中的部位進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訉?。為了得到最?yōu)的結(jié)果，將此部位分別加寬2mm,1.5mm,1mm。

2.2 優(yōu)化結(jié)果

對(duì)薄弱部位分別加寬2mm,1.5mm,1mm后對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行再分析，得到的應(yīng)力分布云圖分別如圖7、8、9所示。三種優(yōu)化方案得到的撥叉所受最大應(yīng)力分別為40.667 MPa，44.706MPa和47.136MPa，前兩張方案相比原撥叉應(yīng)力明顯變小，故滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求。

三種優(yōu)化方案分別得到的撥叉強(qiáng)度最薄弱部位均在定撥叉軸的圓柱部件與兩爪相交的部位，最大應(yīng)力大小如表2所示。

表2 優(yōu)化前后的結(jié)果對(duì)比

3 結(jié) 論

(1)經(jīng)過(guò)優(yōu)化分析且結(jié)合多次優(yōu)化前后的結(jié)果對(duì)比，可以看出在不考慮撥叉的裝配問(wèn)題前提下，對(duì)撥叉強(qiáng)度最薄弱部件進(jìn)行加寬2mm的優(yōu)化方案最為有效，撥叉應(yīng)力減少了5.492Mpa，減少幅度為11.9%，即該方法能夠大幅度降低應(yīng)力集中現(xiàn)象，使強(qiáng)度得到優(yōu)化。

(2)無(wú)論對(duì)撥叉進(jìn)行哪種結(jié)構(gòu)優(yōu)化，撥叉最薄弱位置始終出現(xiàn)在固定撥叉軸的圓柱部件與撥叉兩爪相交處，該位置可作為撥叉設(shè)計(jì)階段的重點(diǎn)工作。

參考文獻(xiàn):

[1] 徐海山,湯夢(mèng)蕊. 變速器換檔撥叉的設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械工程師,2002,04:60-61.

[2] 李金龍,吳超,廖敏. 撥叉零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及改進(jìn)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2016,(05):30-34.

[3] 馮偉剛,高濤. 基于不同叉腳結(jié)構(gòu)的換擋撥叉強(qiáng)度分析[J]. 汽車(chē)維修,2015,08:10-11.

[4] 王佳,李瑾寧,杜春鵬,等.基于等剛度的變速箱撥叉優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].傳動(dòng)技 術(shù),2016,30(01):25-28.

[5] 鄧?yán)?洪慧娣,蔡志武,等.基于HyperWorks 的撥叉強(qiáng)度分析及拓?fù)鋬?yōu)化[C]..//Altair 2012 HyperWorks 技術(shù)大會(huì)論文集.2012:1-7.