王 穩(wěn)， 程曉農(nóng)

(1. 蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 太倉(cāng) 215411； 2. 江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

隨著人民生活水平的提高，汽車已經(jīng)成為生活必需品。換擋器作為操縱車輛行駛的重要部件，人們對(duì)其操作舒適性、耐用性和安全性提出越來(lái)越高的要求[1]。就汽車選型而言，換擋器是消費(fèi)者考慮的重要因素，而電子換檔器憑借多變的造型外觀、緊湊的結(jié)構(gòu)以及方便快捷的檔位方式，贏得廣大消費(fèi)者的青睞[2]。由于電子換檔器要搭載昂貴的電子變速箱方能使用，現(xiàn)有的電子換檔器都是應(yīng)用在較為豪華的汽車上，且其通用性較差，成本較高[3-5]。如何解決電子換擋器的通用性、如何降低電子換擋器的成本、這些都成為相關(guān)技術(shù)人員亟需解決的課題。

譚火南等[6]針對(duì)自動(dòng)換擋器換擋力曲線不理想的問(wèn)題，對(duì)齒形板形狀、定位滾輪尺寸和彈簧剛度進(jìn)行了優(yōu)化，從而改善了自動(dòng)換擋器的使用性和換擋手感。彭江等[5]依據(jù)換擋過(guò)程的功能要求及控制邏輯，為搭載機(jī)電控制式無(wú)極變速器(Electric Mechanical Continuously Variable Transmission,EMCVT)設(shè)計(jì)了一種新型的電子換擋系統(tǒng)，并制定了控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network,CAN)通信協(xié)議，保證信號(hào)傳輸?shù)目煽啃裕岣吡丝刂葡到y(tǒng)的集成度，最終提高了整車的操縱性和安全性;李先[7]通過(guò)有限元分析和靜力拉伸試驗(yàn)，進(jìn)行了PP40(玻璃纖維增強(qiáng)的聚丙烯)和PA30(玻璃纖維增強(qiáng)的聚酰胺)兩種材料的自動(dòng)換擋器的疲勞分析，并以此預(yù)測(cè)了自動(dòng)換擋器的疲勞壽命。以上研究，雖然對(duì)自動(dòng)換擋器和電子換擋器的可用性和疲勞壽命進(jìn)行了分析和研究[8-11]，但是并未涉及電子換擋器的通用性設(shè)計(jì)，以及自動(dòng)換擋器的材料未進(jìn)行研究。

基于該現(xiàn)狀，本文結(jié)合某品牌汽車公司的實(shí)際生產(chǎn)需要，設(shè)計(jì)了一種新型電子換檔驅(qū)動(dòng)器，主要通過(guò)磁性齒輪和霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)換擋識(shí)別功能。它具有較好的通用性且可以與現(xiàn)有自動(dòng)變速箱配合使用；同時(shí)，使用有限元分析軟件NX Nastran 對(duì)電子換檔驅(qū)動(dòng)器的主要部件蝸殼進(jìn)行了機(jī)械性能仿真分析，找出蝸殼在工作過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變最大的部位，為進(jìn)一步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

1 新型電子換檔器工作原理

1.1 設(shè)計(jì)基本要求

針對(duì)目前電子換檔驅(qū)動(dòng)器存在的問(wèn)題，所設(shè)計(jì)的電子換檔驅(qū)動(dòng)器能達(dá)到以下基本要求：既能與昂貴的電子變速箱配合使用，也能與價(jià)格低廉的自動(dòng)變速箱配合使用，具有較好的通用性，實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)的汽車都能夠擁有電子換檔器帶來(lái)的優(yōu)勢(shì);同時(shí)，制造成本低。

1.2 工作原理

為實(shí)現(xiàn)物美價(jià)廉和綜合性能優(yōu)良的目標(biāo)，考慮電子換擋器的功能、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)等因素，提出了一種新的電子換擋器，見圖1。它主要由蝸殼、螺桿、推桿、軌道、磁性齒輪、齒條、從動(dòng)輪、凸塊、拉鎖接頭、卡板組成。該裝置主要通過(guò)機(jī)械、電磁原理實(shí)現(xiàn)電子換擋，工作原理如下：汽車的中央控制單元將換檔信號(hào)傳送至電動(dòng)機(jī),電動(dòng)機(jī)執(zhí)行換檔信號(hào)命令旋轉(zhuǎn)，使主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)輪通過(guò)同步齒型帶帶動(dòng)從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，使螺桿旋轉(zhuǎn)，繼而帶動(dòng)蝸殼滑動(dòng)，蝸殼內(nèi)安裝的推桿也隨著螺桿運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，在蝸殼上的凸塊通過(guò)卡板帶動(dòng)齒條沿著軌道運(yùn)動(dòng)，齒條推動(dòng)磁性齒輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使磁性齒輪產(chǎn)生的磁場(chǎng)發(fā)生了變化，通過(guò)霍爾傳感器感應(yīng)的磁場(chǎng)變化信號(hào)，識(shí)別檔位信息；汽車的中央控制單元根據(jù)檔位信息調(diào)整電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)位置，使推桿移動(dòng)到指定位置。由于推桿與拉鎖接頭連接，拉鎖接頭連接變速箱的換檔臂，故能夠?qū)崿F(xiàn)拉動(dòng)變速箱的換檔臂完成換檔。

圖1 電子換檔驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

2 換檔器有限元建模

2.1 蝸殼材料選擇

對(duì)于電子換擋器，蝸殼組件是其中最重要的組成部件之一。其中蝸殼主要起傳遞拉力和推力的作用，它的機(jī)械穩(wěn)定性決定了換擋器的使用壽命，因此其在很大程度上直接決定了電子換擋器的性能提升。

由蝸殼的結(jié)構(gòu)決定了蝸殼零件是注塑、鑄造或壓力加工件；由蝸殼組件的機(jī)械運(yùn)動(dòng)特性決定了蝸殼零件要具有較好的耐磨性；使用中通過(guò)蝸殼帶動(dòng)齒條齒輪運(yùn)動(dòng)，利用磁性齒輪的磁場(chǎng)變化信號(hào)識(shí)別檔位信息，所以對(duì)于蝸殼在外力作用下產(chǎn)生的位移也必須予以限制；所以蝸殼材料的選擇要根據(jù)以上幾點(diǎn)綜合考慮[12-13]。

通過(guò)調(diào)研合作企業(yè)的客戶認(rèn)證材料庫(kù)中的資料，結(jié)合以上幾點(diǎn)綜合考慮，初選目前應(yīng)用較多的蝸殼制作材料如下：

(1) PET+35GF(加玻纖35%的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)：熱變形溫度和長(zhǎng)期使用耐溫度高，蠕變和疲勞性好。適用于線圈骨架、變壓器、電視機(jī)、座閥等；加工工藝為注塑成型。

(2) PA66+50GF(加玻纖50%的聚己二酸己二胺)：機(jī)械強(qiáng)度、剛度、硬度、韌性高、耐老化性能好、機(jī)械減振能力好、良好的滑動(dòng)性、優(yōu)異的耐磨性、機(jī)械加工性能好。用于制作小家電外殼、運(yùn)動(dòng)器材、汽車真空助力器閥體、其他需要有抗沖擊性和高強(qiáng)度要求的產(chǎn)品等；加工工藝為注塑成形。

(3) QSn4-3(錫青銅)：有高的耐磨性，耐腐蝕性，抗磁性良好，用于制作軸瓦、襯套、軸承等，能很好地承受熱態(tài)或冷態(tài)壓力加工。

選材的依據(jù)主要是綜合考慮功能性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性等，本文選取聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(Polythylene terephthalate，PET)、聚己二酸己二胺(PA66)、錫青銅(QSn4-3)，3種材料作為研究對(duì)象，其機(jī)械性能參數(shù)如表1所示。

表1 蝸殼材料在140 °C、濕度50%條件下時(shí)的特性

2.2 蝸殼有限元模型的建立

建立有限元模型是有限元分析的第一步，將直接影響到仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性[14]。通常情況下，建立有限元模型是有兩種方法，一種是利用有限元軟件自帶的建模工具，如NX Nastran中的Femapwith模塊，另一種是通過(guò)專業(yè)建模軟件繪制，如UG，然后導(dǎo)入到有限元軟件當(dāng)中。由于NX Nastran自帶的建模工具功能有限，對(duì)于較復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)并不方便，因此本文利用三維設(shè)計(jì)軟件UG繪制電子換檔驅(qū)動(dòng)器的立體圖，導(dǎo)入有限元分析軟件Nastran NX并分別定義材料屬性[15-17]，如圖2所示。

圖2 未進(jìn)行網(wǎng)格劃分的蝸殼原始圖

2.3 網(wǎng)格劃分

有限元網(wǎng)格劃分是進(jìn)行數(shù)值模擬分析至關(guān)重要的一步，它直接影響后續(xù)數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果的精確性,根據(jù)零件尺寸大小，綜合考慮幾何圖形的曲率以及線與線的接近程度計(jì)算精度和占用計(jì)算資源大小，本文采用網(wǎng)格是用hypermesh劃分的平面單元，再導(dǎo)入到Nastran前處理生成四面體實(shí)體單元，網(wǎng)格質(zhì)量要求縱橫比小于8，劃分網(wǎng)格大小在1 mm左右，總網(wǎng)格數(shù)242 749，節(jié)點(diǎn)數(shù)53 975，因其為微小變形分析,也不受大彎曲，使用四面體一階實(shí)體單元，網(wǎng)格劃分模型如圖3所示。

圖3 換檔驅(qū)動(dòng)器網(wǎng)格圖

2.4 施加約束和載荷

根據(jù)電子換檔驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和工作原理，通過(guò)螺旋傳動(dòng)，螺桿將運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)給固定在蝸殼上的內(nèi)螺紋套；使蝸殼移動(dòng)，蝸殼將力傳遞至推桿完成換擋任務(wù)。在正常工作的情況下，推桿主要受到換檔時(shí)兩個(gè)方向的中心軸向力，即推力和拉力，該力最大是1.2 kN(負(fù)載大小根據(jù)換擋驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求所確定)。在受力分析時(shí)，將螺桿與內(nèi)螺紋套施加固定約束，其加載情況如圖4所示。

圖4 換檔驅(qū)動(dòng)器的載荷與約束

2.5 求解及后處理

使用Femap軟件進(jìn)行前處理，求解器為advance nonlinear trainsient，求解器模塊為sol601，設(shè)置求解步階和求解收斂數(shù)值，采用analyse指令可求解了。這是一個(gè)靜力非線性瞬態(tài)分析，零部件本身不存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)[18]，主要是由于收到外力后，零件間傳遞力，產(chǎn)生變形和零部件間相對(duì)位移；進(jìn)入求解器模塊，設(shè)置外力數(shù)值，分別得到在施加載荷和約束情況的應(yīng)力分布圖；在軟件分析圖中，不同的應(yīng)力值采用不同的色彩表示，最大應(yīng)力就是圖示中紅色部位，其顯示情況如圖5所示。

3 結(jié)果討論與分析

3.1 施加拉力時(shí)不同材料蝸殼靜力學(xué)分析

通過(guò)有限元分析，分別研究了當(dāng)溫度為140 ℃，沿中心軸拉力為1.2 kN時(shí)，3種不同材料的蝸殼的應(yīng)力分布圖如圖5所示。

電子換擋器是汽車換擋的關(guān)鍵器件之一，其安全性是需要重點(diǎn)考慮的指標(biāo)之一。按照vonmises應(yīng)力準(zhǔn)則，安全系數(shù)是材料最大抗拉強(qiáng)度除以計(jì)算應(yīng)力得到，可得到3種不同材料情況下蝸殼的應(yīng)力安全系數(shù)，結(jié)果見表2。安全系數(shù)各公司都有自己標(biāo)準(zhǔn)，主要考慮產(chǎn)品材料，加工工藝，工況等因素得出，也是經(jīng)過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證之后確定的。應(yīng)力安全系數(shù)參照合作企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，定義為1.15，大于1.15視為安全。

表2 不同材料在拉力1.2 kN時(shí)的有限元分析結(jié)果

由圖5可知，當(dāng)沿中心軸施加1.2 kN的拉力時(shí)，由于蝸殼零件結(jié)構(gòu)特性和材料最大抗拉強(qiáng)度決定，在蝸殼的推桿球頭安裝處左右位置產(chǎn)生最大的應(yīng)力，3種不同材料的最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置基本相同，PET+35GF蝸殼的最大應(yīng)力為68 MPa；PA66+50GF蝸殼的最大應(yīng)力為79 MPa；QSn4-3蝸殼的最大應(yīng)力為173 MPa。

同樣，由于受到外力后，零件間傳遞力的作用，蝸殼都呈現(xiàn)出不同程度的位移，對(duì)于不同的材料，其位移量差別較大。PET+35GF蝸殼的位移量為1.12 mm；PA66+50GF蝸殼的位移量為0.69 mm; QSn4-3蝸殼的位移量為0.10 mm。

從表2可知，3種材料的應(yīng)力安全系數(shù)有明顯的區(qū)別，當(dāng)材料為QSn4-3時(shí)，蝸殼的應(yīng)力安全系數(shù)為2.39；而當(dāng)材料為PET+35GF和PA66+50GF，二者的應(yīng)力安全系數(shù)基本相同，分別為1.04和1.10。

對(duì)于電子換擋器，在使用過(guò)程當(dāng)中，理想的狀況是在載荷作用下能承受更大的應(yīng)力，最小的位移，最大的安全系數(shù)。因此，當(dāng)溫度為140 ℃，沿中心軸拉力為1.2 kN時(shí)，蝸殼材料為QSn4-3較為理想。

3.2 施加推力時(shí)不同材料蝸殼靜力學(xué)分析

通過(guò)有限元分析，分別研究了當(dāng)溫度為140 ℃，沿中心軸推力為1.2 kN時(shí)，3種不同材料的蝸殼的應(yīng)力分布圖如圖6所示。根據(jù)蝸殼零件結(jié)構(gòu)特性和材料最大抗拉強(qiáng)度，計(jì)算得到3種不同材料情況下的蝸殼應(yīng)力安全系數(shù)，結(jié)果如表3所示。

由圖6可知，最大應(yīng)力位置在蝸殼的推桿球頭安裝處左端產(chǎn)生，3種不同材料的最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置也基本相同，PET+35GF蝸殼的最大應(yīng)力為68 MPa；PA66+50GF蝸殼的最大應(yīng)力為76 MPa；QSn4-3蝸殼的最大應(yīng)力為170 MPa。

表3 不同材料在推力1.2 kN時(shí)的有限元分析結(jié)果

同樣，由于受到外力后，零件間傳遞力的作用，蝸殼都呈現(xiàn)出不同程度的位移，對(duì)于不同的材料，其位移量差別很大。材料為PET+35GF的蝸殼位移量為0.82 mm；材料為PA66+50GF的蝸殼位移量為0.52 mm；材料為QSn4-3的蝸殼位移量?jī)H為0.10 mm。

從表3可知，3種材料的應(yīng)力安全系數(shù)存在著明顯的區(qū)別，當(dāng)材料為QSn4-3時(shí)，蝸殼的應(yīng)力安全系數(shù)為2.43；而當(dāng)材料為PET+35GF和PA66+50GF，二者的應(yīng)力安全系數(shù)分別為1.04和1.14。

對(duì)于電子換擋器，在使用過(guò)程當(dāng)中，理想的狀況是在載荷作用下能承受更大的應(yīng)力，最小的位移，最大的安全系數(shù)。因此，當(dāng)溫度為140 ℃，沿中心軸推力為1.2 kN時(shí)，蝸殼材料為QSn4-3較為理想。

以上分析可知，當(dāng)選用蝸殼材料為PET-35GF，溫度為140 °C，沿中心軸拉力和推力均為1.2 kN時(shí)，應(yīng)力安全系數(shù)均為1.04，安全系數(shù)均不達(dá)標(biāo)，顯然，電子換檔器蝸殼材料采用PET-35GF是不可行的設(shè)計(jì)方案。選用蝸殼材料為PA66+50GF，溫度為140 °C，沿中心軸拉力為1.2 kN時(shí)，應(yīng)力安全系數(shù)為1.10，此時(shí)安全系數(shù)稍小；溫度為140 °C，沿中心軸推力為1.2 kN時(shí)，應(yīng)力安全系數(shù)為1.14，此時(shí)安全系數(shù)也稍小。若蝸殼材料選擇PA66+50GF，則需要更改局部設(shè)計(jì)，即增加蝸殼相應(yīng)處的厚度及增加內(nèi)部肋板，以保證使用時(shí)的安全性能。根據(jù)有限元數(shù)據(jù)分析結(jié)果，需要增加厚度與肋板的地方如圖7所示。

圖7 選用材料為PA66+50GF時(shí)需增加厚度的示意圖

當(dāng)選用蝸殼材料為QSn4-3，溫度為140 °C，沿中心軸拉力和推力均為1.2 kN時(shí)，應(yīng)力安全系數(shù)分別為2.39和2.43，安全系數(shù)均達(dá)標(biāo)，說(shuō)明其滿足了安全使用性能，可知，其符合設(shè)計(jì)要求和選材標(biāo)準(zhǔn)，QSn4-3是可行的選材方案。

4 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種新型電子換擋驅(qū)動(dòng)器，并采用有限元分析軟件NX Nastran對(duì)其關(guān)鍵部件蝸殼進(jìn)行靜力學(xué)分析，分別研究了3種不同材料的蝸殼在工作過(guò)程中最大應(yīng)力、應(yīng)變位置及安全性能，并對(duì)蝸殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。仿真結(jié)果表明：在溫度為140 °C，沿中心軸拉力和推力均為1.2 kN的工作環(huán)境條件下，材料QSn4-3均具有較大的最大應(yīng)力、較小的位移量和較大的應(yīng)力安全系數(shù)，能夠滿足電子換擋器的性能和結(jié)構(gòu)要求；材料PA66+50GF的均具有較小的最大應(yīng)力、較大的位移量和較小的應(yīng)力安全系數(shù)，需要增加局部位置處厚度方可保證使用的安全性能；材料PET+35GF的各項(xiàng)參數(shù)均無(wú)法滿足電子換擋器的性能要求。這為電子換擋器新產(chǎn)品的開發(fā)、改進(jìn)和生產(chǎn)提供了技術(shù)資料和參考依據(jù),為電子換檔驅(qū)動(dòng)器蝸殼的實(shí)際生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)參考，故具有良好的實(shí)用性和較好的經(jīng)濟(jì)性。