某手動換擋器強(qiáng)度問題的結(jié)構(gòu)改進(jìn)與分析

李秀娟

某手動換擋器強(qiáng)度問題的結(jié)構(gòu)改進(jìn)與分析

李秀娟

（南京奧聯(lián)汽車電子電器股份有限公司，江蘇 南京 211100）

汽車換擋器作為汽車一個(gè)重要零部件，使用條件較為嚴(yán)苛惡劣，因此對其具有較高的強(qiáng)度要求。文章針對某手動換擋器的靜強(qiáng)度測試達(dá)不到強(qiáng)度要求問題對該換擋器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過調(diào)整改進(jìn)內(nèi)部部件結(jié)構(gòu)使改進(jìn)后的換擋器成功通過靜強(qiáng)度測試，滿足產(chǎn)品性能要求。運(yùn)用了有限元軟件對改進(jìn)前后的模型進(jìn)行了有限元分析，得到了更清晰的效果。使用試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了換擋器在高低溫情況下安全系數(shù)的變化。

換擋器；安全系數(shù)；換擋性能

前言

近年來，由于居民收入的提高，汽車銷售價(jià)格的降低，使汽車走進(jìn)越來越多的家庭。汽車行業(yè)對汽車零部件的各種標(biāo)準(zhǔn)也愈加嚴(yán)格。換擋手柄是車輛駕駛中使用頻率較高的部件，本文針對某手動擋車型換擋器的靜強(qiáng)度測試無法達(dá)到強(qiáng)度要求的問題進(jìn)行改進(jìn)，使用了有限元軟件Abaqus對改進(jìn)設(shè)計(jì)前后的換擋手柄進(jìn)行有限元分析，改進(jìn)后的設(shè)計(jì)可以通過靜強(qiáng)度試驗(yàn),且通過不同工況下的試驗(yàn)分析了在極端高低溫情況下?lián)Q擋器安全系數(shù)的變化。

1 問題分析

汽車換擋器測試時(shí)目前各大汽車公司在進(jìn)行換擋器研發(fā)和生產(chǎn)中，必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，由于汽車換擋器使用條件嚴(yán)苛惡劣，因此對汽車換擋器的于高低溫條件下的強(qiáng)度要求很高[1]。

對某手動擋車型的換擋器進(jìn)行靜強(qiáng)度測試時(shí)發(fā)現(xiàn)無法滿足強(qiáng)度要求，即在換擋方向500N時(shí)無變形、無松動，784N時(shí)無破壞；選檔方向350N時(shí)無變形、無松動，490N時(shí)無破壞。靜強(qiáng)度測試的工況為在常溫、80℃與-35℃條件下N-3、N-4、N-L與N-H擋位。N表示從空檔位置開始，L為換1、2檔時(shí)左側(cè)選檔位，H為換5檔、倒檔時(shí)右側(cè)選檔位。

試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)在未達(dá)到要求強(qiáng)度時(shí)出現(xiàn)上球套、底座、搖臂斷裂的情況，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 靜強(qiáng)度測試

可以得到，換擋器在靜強(qiáng)度測試中換擋至3、4擋方向時(shí)強(qiáng)度可以達(dá)到784N無破壞的要求。但是換擋器在常溫選檔時(shí)，N-L方向在459.8N時(shí)上球套發(fā)生斷裂，未達(dá)到490N無破壞的要求，而在高低溫條件下，換擋器更易斷裂，80℃、N-L方向時(shí)上球套僅在375N時(shí)就發(fā)生了斷裂。

2 換擋器的設(shè)計(jì)改進(jìn)

2.1 該手動換擋器模型

本文所遇問題中的這種手動換檔器[2-3]，包括換檔桿（3）、底座（9）、球套（2，5）、橡膠墊（6）、拉絲護(hù)套（10），緩沖圈（4）、扭簧（14）、橡膠球（7）、卡片（12）、上蓋（1）、軸（13）及與換檔桿相連一個(gè)換檔搖臂（15），其中，所述的換檔桿下部設(shè)有球形節(jié)，球形節(jié)放置在由上、下球套（2，5）組成的球形空腔內(nèi)，下球套下方裝有預(yù)壓的橡膠墊（6），用以補(bǔ)償磨損量，球套上方用上蓋（1）壓緊，上蓋可繞軸轉(zhuǎn)動，同時(shí)被底座（9）壓緊固定在整個(gè)機(jī)構(gòu)上，換檔臂（15）可繞著軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。該換擋器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 換擋器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 換擋器改進(jìn)方案

圖2 上球套設(shè)計(jì)前后對比

針對此換擋器原設(shè)計(jì)達(dá)不到強(qiáng)度要求的問題，本文提出如上改進(jìn)方案。

對于上球套，改進(jìn)方案為（1）頂面偏置2.5mm；（2）斷裂處的儲油槽去除；（3）增加加強(qiáng)筋，如圖2所示。

上球套的變化后，上蓋也會隨之變化，改進(jìn)部分有（1）與上球套配合面抬高2.5mm，上面抬高3.5mm；（2）加強(qiáng)筋改為斜筋，如圖3所示。

圖3 上蓋模型前后對比

底座的改進(jìn)方案為（1）在底座上加加強(qiáng)筋；（2）倒圓角；（3）加厚a面0.2mm，如圖4所示。

圖4 底座模型前后對比

搖臂的模型也隨著其他部分的改進(jìn)有了部分變化，如圖5所示。

圖5 搖臂模型前后對比

3 有限元分析

本文使用有限元分析軟件Abaqus對換擋器設(shè)計(jì)進(jìn)行分析[4-5]。

為驗(yàn)證改進(jìn)效果，對換擋器的新舊模型使用Abaqus進(jìn)行了有限元靜力分析。其中有限元模型的材料設(shè)置為上/下球套使用POM 90-04，底座/上蓋與搖臂使用杜邦70G33L NC010。

患者通過他汀類藥物可以有效地起到降脂及多種作用，從而減少心血管病發(fā)生率，幫助改善心血管病的預(yù)后。而他汀類藥物的抗炎作用對于患者有多樣化的治療效果，所以我們應(yīng)該充分的發(fā)揮他汀類藥物的治療作用應(yīng)用到臨床幫助心血管疾病患者改善癥狀，提高治愈率。然而藥物是一把“雙刃劍”，在重視和應(yīng)用他汀類藥物時(shí)，也應(yīng)充分的注意他汀類藥物的應(yīng)用禁忌，嚴(yán)格遵照醫(yī)囑，按照他汀類藥物的使用說明應(yīng)用該藥物幫助患者恢復(fù)健康。

表2 N-L方向，受力490N工況下新舊模型有限元結(jié)果對比

有限元分析結(jié)果顯示在換擋器從N檔換至L選檔位置時(shí)上球套的原模型在490N的受力情況下最大應(yīng)力為195MPa，改進(jìn)后上球套模型的最大應(yīng)力只有37MPa；上蓋的原模型有限元計(jì)算得出的最大應(yīng)力為233MPa，改進(jìn)后模型最大應(yīng)力為125MPa，如表2所示。

表3 N-H方向，受力490N工況下新舊模型有限元結(jié)果對比

在換擋器從N檔換至H選檔位置時(shí)搖臂的原模型在490N的受力情況下最大應(yīng)力為171MPa，改進(jìn)后的搖臂模型最大應(yīng)力為128MPa；底座的原模型有限元計(jì)算得出的最大應(yīng)力為31MPa，改進(jìn)后模型最大應(yīng)力為24MPa，如表3所示。

從以上例子可以看出，“確認(rèn)過眼神X”構(gòu)式中的“X”可以指人、物、景，甚至是文化，電視劇等等，而變項(xiàng)“X”在進(jìn)入該構(gòu)式時(shí)，構(gòu)式“確認(rèn)過眼神X”會對這些變項(xiàng)產(chǎn)生壓制作用：“若一個(gè)詞項(xiàng)與它的句法環(huán)境在語義上不兼容，詞項(xiàng)的意義便會順應(yīng)它所在的構(gòu)式意義?！盵6]42

盡管有限元分析是機(jī)械設(shè)計(jì)中一種強(qiáng)力的分析工具，但有限元分析結(jié)果與實(shí)際情況仍會有部分差異，為此使用850N的工況對新模型進(jìn)行與上述條件的有限元分析。得到850N時(shí)N-L方向上球套的最大應(yīng)力為64MPa，上蓋最大應(yīng)力為218MPa；N-H方向搖臂最大應(yīng)力為217MPa，底座最大應(yīng)力為40.8MPa，如圖6所示。

圖6 850N載荷下有限元分析（a）N-L，上球套；（b）N-L，上蓋；（c）N-H，搖臂；（d）N-H，底座

可知POM材料的抗彎強(qiáng)度為96MPa，杜邦材料的抗彎強(qiáng)度為290MPa，從有限元分析可以得到上球套、上蓋、搖臂與底座可以承受850N的載荷不會斷裂。

3.路徑的融合。隨著教育模式的多元化、路徑的開拓化，傳統(tǒng)說教形式的教學(xué)模式收效甚微。因此，管理者應(yīng)更加專注于學(xué)生易于接受與吸收的新媒體領(lǐng)域，開拓的路徑與敏銳的思維碰撞產(chǎn)生了新的思路，學(xué)生視野得以開闊。這相應(yīng)地為管理者工作提出了更高的要求，適應(yīng)新形勢，用喜聞樂見的工作模式更好地讓學(xué)生融入新環(huán)境，才能不斷更新觀念，創(chuàng)造出更加優(yōu)秀的作品。

有限元分析可以得到，經(jīng)過對上球套、上蓋、底座和搖臂的改進(jìn)，得到的新模型強(qiáng)度更高、結(jié)構(gòu)更好，并且可以滿足設(shè)計(jì)的要求。

上海化工研究院科研工作也進(jìn)行了相應(yīng)的安排、探索。2006級碩士研究生賀少鵬，其學(xué)位論文“有機(jī)污染物的正辛醇/水分配系數(shù)預(yù)測及QSPR研究”，導(dǎo)師是徐大剛、劉剛二位教授級高工。筆者作為研究生辦公室顧問一直跟蹤項(xiàng)目和參與討論。2009年3月筆者還從賀少鵬處借閱《化學(xué)計(jì)量學(xué)方法》，閱讀后2011年網(wǎng)購了幾本贈與有關(guān)專業(yè)人員學(xué)習(xí)、應(yīng)用。2012年又閱讀了商照聰、賀少鵬的論文“有機(jī)污染物分配系數(shù)（正辛醇/水）預(yù)測軟件比較研究”。

4 試驗(yàn)測試

換擋器的改進(jìn)后的新模型雖然有限元已經(jīng)驗(yàn)證其改進(jìn)有效，但是仍需要試驗(yàn)的驗(yàn)證，仍對其進(jìn)行常溫、80℃、-35℃條件下N-3、N-4、N-L、N-H方向的靜強(qiáng)度測試。

數(shù)學(xué)的特點(diǎn)之一就是抽象，尤其是對于高中數(shù)學(xué)知識點(diǎn)而言，相比較小學(xué)初中的內(nèi)容，高中數(shù)學(xué)更加抽象化，需要學(xué)生具備一定的抽象思維能力，很多的知識點(diǎn)可能在我們的實(shí)際生活中并不會直接接觸，對學(xué)生來說就較為陌生.而教師在教學(xué)時(shí)往往是以自己為主，忽視了學(xué)生的感受.直截了當(dāng)?shù)貙⒅R點(diǎn)展現(xiàn)給學(xué)生，結(jié)合例題來幫助學(xué)生進(jìn)行理解.缺少一個(gè)過渡，對學(xué)生來說還是存在很大的理解難度.因此，為了解決這個(gè)問題，我們可以合理地利用多媒體來進(jìn)行理論知識點(diǎn)的導(dǎo)入.結(jié)合教材呈現(xiàn)的內(nèi)容，設(shè)計(jì)一個(gè)導(dǎo)入方法來吸引學(xué)生.如圖片、視頻等，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使得學(xué)生可以積極地參與到后續(xù)的學(xué)習(xí)過程中.

得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表4所示，在常溫、80℃與-35℃情況下上蓋與底座斷裂時(shí)的力均大于強(qiáng)度要求。

圖7 80℃條件下靜強(qiáng)度測試（a）N-3；（b）N-4；（c）N-L；（d）N-H

表4 靜強(qiáng)度測試

實(shí)驗(yàn)表明，改進(jìn)后的換擋器可以達(dá)到強(qiáng)度要求，即在換擋方向500N時(shí)無變形、無松動，784N時(shí)無破壞；選檔方向350N時(shí)無變形、無松動，490N時(shí)無破壞。

5 安全系數(shù)分析

安全系數(shù)是在機(jī)械零件設(shè)計(jì)中，衡量設(shè)計(jì)對象的安全程度即零件本身能承受外載作用程度的一個(gè)重要尺度。將零部件所用材料的極限應(yīng)力σ除以許用應(yīng)力s得到的比值稱為安全系數(shù)，用n表示[6-7]。即

由此可以看出，在中國語境之下，社會工作專業(yè)教育人才在一線社會工作之外是完全可以面向政府相關(guān)部門的，這也是政府的需求，他們的政務(wù)工作中需要社會工作專業(yè)的學(xué)生去施展特長，比如南京市的“全科政務(wù)”服務(wù)模式，就是在黨中央明確提出要繼續(xù)簡政放權(quán)、放管結(jié)合、優(yōu)化服務(wù)，推動政府職能向創(chuàng)造良好發(fā)展環(huán)境、提供優(yōu)質(zhì)公共服務(wù)、維護(hù)社會公平正義的轉(zhuǎn)變背景下，南京市棲霞區(qū)政府率先試點(diǎn)推行“全科社工”的政府公共管理與服務(wù)體制改革，社會工作專業(yè)人員在政務(wù)工作中發(fā)揮了積極的作用。

n=σ/s （1）

已有的第四章的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了各種工況下?lián)Q擋器零部件的極限載荷，同時(shí)第一章已給出了換擋器的強(qiáng)度要求。但是靜強(qiáng)度測試是破壞性試驗(yàn)，得到的是破壞時(shí)的載荷而非應(yīng)力，因此根據(jù)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，使用載荷的數(shù)據(jù)代替應(yīng)力來計(jì)算改進(jìn)后換擋器的安全系數(shù)。即測試斷裂載荷Fcs除以強(qiáng)度要求不發(fā)生破壞的載荷F=490N得到安全系數(shù)：

n=Fcs/F （2）

表5 根據(jù)測試數(shù)據(jù)計(jì)算得到安全系數(shù)

可以看到，高低溫顯然對安全系數(shù)產(chǎn)生了影響，在80℃與-35℃條件下，安全系數(shù)關(guān)于常溫時(shí)的變化如表6。

表6 安全系數(shù)關(guān)于高低溫條件的變化率

除了-35℃條件下底座的安全系數(shù)提升了，其他三種工況的安全系數(shù)都下降了。根據(jù)第一章給出的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，原模型的底座在-35℃的斷裂載荷854.2N也大于常溫時(shí)的798.1N，這應(yīng)是底座的結(jié)構(gòu)與受力導(dǎo)致低溫時(shí)強(qiáng)度增加。

根據(jù)表6其他數(shù)據(jù)可以得到高低溫會對換擋器零部件的安全系數(shù)產(chǎn)生影響，但是影響均小于10%。因此，高低溫工況顯然會對換擋器強(qiáng)度產(chǎn)生影響，需要設(shè)計(jì)時(shí)給與關(guān)注，而本文改進(jìn)的結(jié)構(gòu)符合靜強(qiáng)度要求。

6 結(jié)論

分析對象通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，采用有限元分析工具，研究對象在載荷下的強(qiáng)度表現(xiàn)，通過不同工況下的將強(qiáng)度測試驗(yàn)證設(shè)計(jì)模型是符合設(shè)計(jì)要求。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過安全系數(shù)分析了高低溫對換擋器強(qiáng)度的影響。本文針對該手動換擋器強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)的情況進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。改進(jìn)的模型經(jīng)過有限元計(jì)算分析得出其強(qiáng)度得到了提高，新的換擋器通過靜強(qiáng)度測試驗(yàn)證了其強(qiáng)度可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過安全系數(shù)分析了高低溫對換擋器強(qiáng)度的影響。換擋器成功進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的換擋器可以在滿足強(qiáng)度的前提下，減輕了重量。

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Structural improvement and analysis of insufficient strength of a manual shifter

Li Xiujuan

( Nanjing Aolian AE&EA CO., LTD, Jiangsu Nanjing 211100 )

Abstract:As an important part of the car, the car shifter is used in harsh conditions, so it has high strength requirements. In this paper, the static strength test of a manual shifter can not meet the strength requirement. The internal gear structure is adjusted to improve the static strength test. Meanwhile, the finite element software was used to analyze the model before and after the improvement, and a clearer optimization effect was obtained. The test data was used to analyze the change of the safety factor of the shifter at high and low temperatures.

Keywords:Shifter;Safety Factor;Shift Performance

CLC No.: U463.212

Document Code: A

Article ID:1671-7988(2019)13-54-04

中圖分類號：U463.212

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988(2019)13-54-04

作者簡介：李秀娟，就職于南京奧聯(lián)汽車電子電器股份有限公司，主要從事?lián)Q擋器產(chǎn)品開發(fā)工作并研究換擋器產(chǎn)品在材料選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能保證、安全特性等內(nèi)容。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.020