基于等剛度的變速箱撥叉優(yōu)化設(shè)計

王　佳　李瑾寧　杜春鵬　閔運東　李劍平　占　偉

東風(fēng)商用車技術(shù)中心， 武漢 430000

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基于等剛度的變速箱撥叉優(yōu)化設(shè)計

王佳李瑾寧杜春鵬閔運東李劍平占偉

東風(fēng)商用車技術(shù)中心， 武漢 430000

針對商用車變速箱換檔平順性問題，建立換擋過程的力學(xué)模型和受力方程，分析變速箱撥叉結(jié)構(gòu)設(shè)計中對換擋平順性影響的關(guān)鍵因素，表明了撥叉等剛度優(yōu)化設(shè)計的重要意義。以某型號變速箱撥叉為例說明結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程，對比分析新舊撥叉的強度和等剛度，結(jié)果表明通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化不僅可以大幅度提高撥叉結(jié)構(gòu)的等剛度，提升變速箱換擋平順性，還可以改善應(yīng)力分布，提高強度，最后進行了試驗驗證。

商用車變速箱撥叉等剛度設(shè)計換擋平順性

0　引言

隨著社會的進步和生活品質(zhì)的提升，汽車變速箱不僅要滿足換擋的功能要求，更要滿足用戶的舒適體驗，變速箱換擋平順性直接影響著用戶的換擋體驗。影響變速箱換擋平順性的因素有很多，如撥叉結(jié)構(gòu)、同步器性能、換擋零部件加工精度等，其中撥叉結(jié)構(gòu)對于換擋平順性影響非常顯著[1,2]。在撥叉設(shè)計時盡量采用對稱結(jié)構(gòu)，保證其兩叉腳受力過程中剛度一致[3]，避免在推動同步齒套過程中產(chǎn)生過大的附加彎矩，阻礙同步齒套的運動，造成換擋力偏大，換檔不平順，甚至掛不上檔[6]。然而很多撥叉的設(shè)計受變速箱內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的限制，很難保證所有撥叉都是結(jié)構(gòu)對稱，因此會造成部分檔位換擋不平順。本文將詳細闡述撥叉等剛度設(shè)計對變速箱換擋平順性的重要影響和意義。

1　理論分析

變速器換擋結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如圖1所示，切換檔位時通過撥叉將同步齒套推入相應(yīng)檔位進行嚙合達到同步，理論分析時將其進行了相應(yīng)的簡化，如圖2所示。根據(jù)實際受力情況，滑動齒套受力簡圖如圖3所示，滑動齒套寬度為L，內(nèi)徑為D。當(dāng)撥叉的結(jié)構(gòu)不是等剛度時，兩叉腳作用于滑動齒套的推力將不同，會對軸心處產(chǎn)生一個附件力矩M。此外，由于齒套產(chǎn)生的微小偏斜，會在邊緣處造成線接觸，產(chǎn)生壓力FN，進而產(chǎn)生摩擦力f，阻礙滑動齒套的運動。由于上下摩擦力大小相等方向相同，因此不會產(chǎn)生力矩，偏斜產(chǎn)生的附件力矩M僅由FN平衡?；瑒育X套的運動是由

(1)

產(chǎn)生，摩擦力越小，合力越大，推動越平順，反之越費力，因此摩擦力f是影響平順性的關(guān)鍵因素。

當(dāng)F1=F2時，M=0，F(xiàn)N=0，f=0，平順性最好，此時撥叉結(jié)構(gòu)處于絕對等剛度。

當(dāng)F1≠F2時，根據(jù)力矩平衡：

(2)

求得FN=|F1-F2|D/2L，由于換擋撥叉滑塊與滑動齒套的接觸通常是鑄鋼對滲碳鋼，因此取摩擦系數(shù)μ=0.15，得到摩擦力

f=μFN=0.075|F1-F2|D/L

(3)

由公式3可知，摩擦力的大小主要由左右叉腳受力差|F1-F2|和滑動齒套內(nèi)徑與齒寬的比值D/L決定。因此，撥叉結(jié)構(gòu)等剛度越好，左右叉腳受力差越小，所產(chǎn)生的摩擦力越小，換擋平順性越好；在滑動齒套內(nèi)徑一定的情況下，齒寬越大，產(chǎn)生的摩擦力越小，越有利于換擋的平順性。

換檔前換檔后

圖1變速箱同步結(jié)構(gòu)圖

Fig.1Transmission synchronization structure

圖2　變速箱同步結(jié)構(gòu)簡化圖

圖3　滑動齒套受力簡圖

2　等剛度優(yōu)化方法

某型號變速箱在換擋過程中，換擋費力，平順性較差，用戶體驗不佳，其主要原因歸結(jié)于撥叉結(jié)構(gòu)不對稱，等剛度差，在受力過程中左右叉腳受力差大，變形不一致，為此需要進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和技術(shù)改進，提升換擋平順性。如圖4對撥叉進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小3 mm，并對局部圓角進行細化，材料為鑄鋼。

為了真實模擬換檔工況，如圖5所示，進行強度計算時加載如下：

1、在叉腳1、2面處分別加約束，該約束在法向受壓時被阻擋，受拉時可分離，切向自由；

2、在軸孔4處施加柱約束，徑向、切向固定，軸向自由；

3、在螺栓孔3處施加相應(yīng)檔位的換擋力，倒檔400N，一二檔1800N，三四檔1500N，五六檔800N，方向沿軸孔4軸向向外。

由于剛度通過位移表現(xiàn)出來，所以可以加載相同反力求位移來等效撥叉剛度。剛度分析加載如下：

1、在軸孔4處施加柱約束，徑向、切向和軸向全固定；

2、在叉腳1、2面處分別施加相應(yīng)檔位的換擋力的二分之一，方向沿軸孔4軸向向內(nèi)。

圖4　網(wǎng)格劃分

圖5　邊界條件

為了增強撥叉等剛度，減小兩叉腳推力差，提升變速箱換擋性能，在進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時采取以下原則：

1、在變速箱內(nèi)部空間允許的范圍內(nèi)，盡量將撥叉優(yōu)化為對稱結(jié)構(gòu)；

2、在變速箱內(nèi)部空間及布置不允許的情況下，剛度大的一側(cè)減材料，剛度小的一側(cè)加材料，從而提升等剛度。

3、在重量變化不大的情況下，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善撥叉應(yīng)力分布，同時加強結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域，提升撥叉整體強度；

4、結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中考慮加工工藝，力求不增加成本。

3　結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)定的優(yōu)化原則，變速箱各檔位撥叉優(yōu)化結(jié)果如圖6所示，從圖中可看出，優(yōu)化后的撥叉結(jié)構(gòu)均發(fā)生了較大變化，其中一二檔撥叉可設(shè)計成對稱結(jié)構(gòu)，其余撥叉由于受結(jié)構(gòu)空間限制，無法做到對稱結(jié)構(gòu)，但保證兩叉腳變形差小于0.3 mm。

其中倒檔撥叉優(yōu)化前后有限元分析結(jié)果如圖7所示，優(yōu)化后兩叉腳剛度差從0.512 mm減小到0.19 mm，等剛度提升了63%；同時重量減輕，應(yīng)力分布更加均勻，最大應(yīng)力減小18%，優(yōu)化效果比較明顯。

優(yōu)化前

優(yōu)化后

同理對其他檔位撥叉進行了分析計算，各檔位撥叉優(yōu)化前后等剛度變化如圖8所示，四個撥叉等剛度提升都達到了60%以上，其中一二檔撥叉實現(xiàn)了等剛度設(shè)計。撥叉優(yōu)化前后應(yīng)力變化如圖9所示，四個撥叉通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，材料得到了充分利用，最大應(yīng)力得到了明顯降低，其中一二檔和三四檔撥叉應(yīng)力改善最為明顯，降低幅度達到50%以上，優(yōu)化效果明顯。

4　試驗驗證

目前，該優(yōu)化設(shè)計方案已經(jīng)順利實施，并進行了相關(guān)的試制試驗，其中優(yōu)化前后五六檔同步器換檔力性能曲線如圖10所示。由圖中曲線可看出，在其他條件不變的情況下，通過優(yōu)化撥叉的結(jié)構(gòu)，進行等剛度設(shè)計，可有效減小換檔力，提高換擋的平順性，試驗結(jié)果進一步證明了該等剛度優(yōu)化設(shè)計方案的可行性。

5　小結(jié)

本文首先通過理論分析，說明了撥叉兩叉腳的剛度差會產(chǎn)生推動同步齒套運動的推力差，對變速箱換擋平順性產(chǎn)生很大影響。然后結(jié)合實際項目，對某變速箱撥叉進行等剛度優(yōu)化設(shè)計，并進行了試驗驗證，結(jié)果證明，優(yōu)化后的撥叉不僅大幅度的提升了等剛度，改善了兩叉腳推力差過大造成的換擋吃力的現(xiàn)狀，提高了換擋平順性，而且減輕了重量，改善了應(yīng)力分布，提高了強度，很好的闡明了變速箱撥叉等剛度優(yōu)化設(shè)計理念的重要意義。

圖7　倒檔撥叉優(yōu)化前后有限元分析結(jié)果

圖8　撥叉優(yōu)化前后等剛度變化

圖9　撥叉優(yōu)化前后應(yīng)力變化

圖10　同步器換檔力性能曲線

[1]徐海山，湯夢蕊. 變速器換檔撥叉的設(shè)計[ J ]. 機械工程師，2002，4(2)：60-61.

[2]孫淑玲，王穎，陳潔. 汽車撥叉裂紋原因分析[ J ]. 鑄造，2012，1(1)：113-115.

[3]閻波，張冠偉. 基于等剛度原理的汽車同步器齒套倒錐刀具設(shè)計[ J ]. 機械管理開發(fā)，2006，12(6)：29-30.

[4]左大平，王艷. 汽車起動機齒輪撥叉失效分析[ J ]. 工程塑料，2006，12：35-37.

[5]徐偉峰. 汽車起動機齒輪撥叉失效分析[ J ]. 工程塑料，2006，12：35-37.

[6]Rohit Kunal, Mahindra and Mahindra. Gear Shift Fork Stiffness Optimisation [ J ]. SAE international，2011，01：22-35.

Gearbox Fork Optimal Design Based on Equal-stiffness

WangJiaLiJinningDuChunpengMinYundong

LiJianpingZhanWeiDongfengCommercialVehicleTechnicalCenter

For transmission shifting comfort problem of commercial vehicle, Set up the mechanical model of shifting process and stress equations is set up, the key factors which influence shifting comfort of fork design is analyzed, showing the importance of equal-stiffness optimal design for gearbox fork. Aiming at the shift problem of a certain type gearbox fork, structure optimization is done, strength and equal-stiffness is analyzed and compared of old and new fork. Results showed that the fork through structural optimization can not only greatly improve the fork equal-stiffness, promote gearbox shifting comfort. But also can improve the stress distribution and weight reduction. Finally, experimental verification is done.

Commercial vehicleGearbox forkEqual-stiffness designShift comfort

1006-8244(2016)01-025-04

王佳(1989-)，男，東風(fēng)商用車技術(shù)中心，碩士研究生。研究方向為變速箱開發(fā)。

U463.211

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