基于ANSYS的變速器撥叉強度仿真及優(yōu)化

(西安航空學院汽車檢測工程技術研究中心,陜西 西安 710077)

0 引 言

汽車變速箱傳動機構中的換擋撥叉作為汽車換擋結構最重要的一部分，它的性能優(yōu)劣，始終讓設計師和駕駛員十分重視[1]。近年來傳動機構性能指標也在逐漸上升，而傳動機構中最關鍵的變速器撥叉，它的強度優(yōu)劣在很大程度上影響著變速器的正常運轉，影響傳動機構的安全性和持久性[2]。實際中因變速器撥叉的強度不夠發(fā)生了斷裂等事故，嚴重影響換擋的平順性和安全性，而變速器的失效使車內(nèi)乘員的安全面臨很大的威脅[3]，故以某微型車上的變速器撥叉為研究對象，對其進行強度分析并優(yōu)化，并對優(yōu)化方案進行分析，最后得到變速器撥叉強度上的最佳設計。研究的技術路線如圖1所示，研究的變速器撥叉實物如圖2所示。

1 建模與仿真

1.1 建 模

經(jīng)過對撥叉的參數(shù)測量后使用三維建模軟件CATIA對該實物進行三維建模，所用相關功能特征包括：草圖、拉伸、挖槽、參考點、參考線、參考面、倒圓角、倒直角等，首先建立腳叉及撥叉軸兩個零部件，然后使用裝配模塊將腳叉固定后導入撥叉軸，然后裝配成型。建好的三維模型如圖3所示。

圖1 擬采用的技術路線

圖2 撥叉實物圖

圖3 變速器撥叉的三維模型

圖4 撥叉的網(wǎng)格圖

圖5 撥叉應力云圖

1.2 有限元分析

(1)創(chuàng)建或導入幾何模型，使用CATIA建立的撥叉模型，故在CATIA中保存的時候選擇“stp”格式。導入轉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)點及單元)，選擇Model，點擊Mesh，劃分默認的網(wǎng)格。

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

(5)施加載荷進行求解，點擊Loads選擇Forces，施加力。點擊Solution(A6)，點擊Equivalent Stress(等效應力)，Equivalent Elastic Strain(等效彈性應變)，Total Deformation(總變形)，獲得應力變形云圖。

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)撥叉實際約束情況只能向Z軸負方向移動，不能軸向轉動，因此約束XY方向上的移動和轉動，約束Z方向上的轉動。

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

圖6 撥叉結構優(yōu)化模型

圖7 優(yōu)化撥叉應力云圖

圖8 優(yōu)化撥叉應力云圖

圖9 優(yōu)化撥叉應力云圖

1.3 分析結果

零件受到載荷后的應力云圖如下。從下圖中可以看出，該撥叉所受的最大應力為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

結構優(yōu)化的研究分為三個層次：結構尺寸優(yōu)化(Sizing Optimization)、結構形狀優(yōu)化(Shape Optimization)和結構拓撲優(yōu)化(Topology Optimization)[4]。結構尺寸優(yōu)化已基本成熟，結構形狀優(yōu)化比結構尺寸優(yōu)化困難一些，仍處于發(fā)展階段，而結構拓撲優(yōu)化非常困難，被認為是最具挑戰(zhàn)性的課題，在工程設計中尚處在探索性的階段[5]。

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

2.2 優(yōu)化結果

對薄弱部位分別加寬2mm,1.5mm,1mm后對優(yōu)化后的模型進行再分析，得到的應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力分別為40.667 MPa，44.706MPa和47.136MPa，前兩張方案相比原撥叉應力明顯變小，故滿足設計的強度要求。

三種優(yōu)化方案分別得到的撥叉強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，最大應力大小如表2所示。

表2 優(yōu)化前后的結果對比

3 結 論

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

(2)無論對撥叉進行哪種結構優(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計階段的重點工作。

參考文獻:

[1] 徐海山,湯夢蕊. 變速器換檔撥叉的設計[J]. 機械工程師,2002,04:60-61.

[2] 李金龍,吳超,廖敏. 撥叉零件的結構設計及改進[J]. 機械設計與制造,2016,(05):30-34.

[3] 馮偉剛,高濤. 基于不同叉腳結構的換擋撥叉強度分析[J]. 汽車維修,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)化設計[J].傳動技 術,2016,30(01):25-28.

[5] 鄧磊,洪慧娣,蔡志武,等.基于HyperWorks 的撥叉強度分析及拓撲優(yōu)化[C]..//Altair 2012 HyperWorks 技術大會論文集.2012:1-7.