精沖撥叉疲勞壽命計(jì)算方法研究

郭應(yīng)清　王銅奎

摘 要：文章介紹一種對(duì)DCT（沖壓+焊接）撥叉的疲勞壽命計(jì)算方法。解決了在無(wú)準(zhǔn)確的材料S-N曲線的情況下，依據(jù)材料的常用性能參數(shù)（屈服強(qiáng)度Rp0.2和抗拉強(qiáng)度Rm）近似繪制在不同可靠度下的S-N曲線，基于此曲線對(duì)某款DCT產(chǎn)品的撥叉進(jìn)行疲勞壽命的計(jì)算，同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可信性，保證在滿(mǎn)足產(chǎn)品疲勞壽命要求的前提下，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品小型化和輕量化。關(guān)鍵詞：DCT;沖壓;焊接;撥叉;S-N曲線;疲勞壽命中圖分類(lèi)號(hào)：U467? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）02-37-03

Abstract： This paper describes one method for evaluation fatigue life of DCT shift forks which use fine blacking & welding produce technology when no exact material S-N curves can be got from material supplier. On this condition， mechanical capability will be used（such as Rp0.2 and Rm）to calculate approximate S-N curve. The fatigue life for one kind of DCT shift fork will be calculated based on this method and fatigue testing will be performed many times to validate the real fatigue life， so we can get the smallest and lightest parts.Keywords： DCT; Fine blanking; Wedding; Shift fork; S-N curve; Fatigue lifeCLC NO.： U467? Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）02-37-03

1 疲勞壽命計(jì)算方法

疲勞設(shè)計(jì)有兩種主要原則：（1）無(wú)限疲勞壽命設(shè)計(jì);（2）有限疲勞壽命設(shè)計(jì)。無(wú)限疲勞壽命設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求零部件的工作應(yīng)力在其疲勞極限以下，這通常造成零部件結(jié)構(gòu)尺寸大，過(guò)于笨重。有限疲勞壽命設(shè)計(jì)準(zhǔn)則也稱(chēng)安全壽命設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，它保證在一定的使用期限內(nèi)安全運(yùn)行，所以允許部分工作應(yīng)力超過(guò)疲勞壽命極限，有限疲勞壽命設(shè)計(jì)準(zhǔn)則能夠充分利用材料的承載能力，減小零部件的截面積及重量，一般零部件設(shè)計(jì)均可以采用此種方法，實(shí)現(xiàn)零部件的輕量化。

對(duì)于有限疲勞壽命設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，其重要依據(jù)是疲勞損傷累計(jì)理論，概述如下：

疲勞損傷累計(jì)理論是指：當(dāng)零部件承受高于疲勞極限的應(yīng)力時(shí)，每一個(gè)循環(huán)將使材料產(chǎn)生一定量的損傷，這種損傷可以累計(jì)，當(dāng)損傷積累到一定的臨界值時(shí)發(fā)生斷裂，其實(shí)質(zhì)是每次應(yīng)力作用下，都將在材料內(nèi)部形成微裂紋，隨著應(yīng)力作用次數(shù)的增加，微裂紋相互合并成長(zhǎng)，導(dǎo)致材料的變質(zhì)和惡化，由微裂紋擴(kuò)展為宏觀裂紋，最終導(dǎo)致斷裂。

疲勞累計(jì)損傷理論分為三大類(lèi)：

1.1 性疲勞累計(jì)損傷理論，最有代表性的是帕姆格倫-邁因納理論

材料在各應(yīng)力下的疲勞損傷是獨(dú)立的，并且可以線性累加起來(lái)，如下：

1.2 非線性疲勞累計(jì)損傷理論，最有代表性的是科爾頓和多蘭理論

1.3 其他的累計(jì)損傷理論

此類(lèi)理論多是從實(shí)驗(yàn)室、觀察室和分析推導(dǎo)出來(lái)的損傷公式，多屬于經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式，如Levy、Kozin等。

為了保證撥叉滿(mǎn)足疲勞壽命要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)撥叉結(jié)構(gòu)的輕量化，在此款DCT項(xiàng)目撥叉的疲勞壽命設(shè)計(jì)中采用有限疲勞壽命設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

2 撥叉工況條件

2.1 撥叉工作原理

撥叉在工作過(guò)程中，由液壓系統(tǒng)提供的液壓油作用在撥叉桿左（右）兩端的活塞上，活塞將液壓力轉(zhuǎn)換為機(jī)械推力作用在撥叉桿上，再由撥叉將此力傳遞到與其接觸的同步器齒套上，并推動(dòng)同步器齒套，完成換擋，如下圖所示：

在整個(gè)換擋過(guò)程中，撥叉實(shí)際受到的力是由同步器齒套反向作用到撥叉上的力。在一個(gè)典型的換擋過(guò)程，撥叉受力（同步器齒套阻力圖）如下圖所示：

由上圖可以看出，在整個(gè)換擋過(guò)程中，齒套的反作用力（阻力）是變化值，但會(huì)在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)穩(wěn)定在某一個(gè)穩(wěn)定值，且如果同步器設(shè)計(jì)良好，此值（如上圖Fc）即為整個(gè)換擋過(guò)程中的最大值，在我們的計(jì)算撥叉的疲勞壽命中使用的力即為此值。

2.2 撥叉工作循環(huán)

在撥叉整個(gè)壽命期間內(nèi)，撥叉將處在F1和F2的反復(fù)作用下，通常，F(xiàn)1和F2作用的次數(shù)在105以上，但不同次數(shù)的F1和F2是變動(dòng)的值，在進(jìn)行疲勞計(jì)算時(shí)，首先需要確認(rèn)的條件為：撥叉工作的循環(huán)次數(shù)和對(duì)應(yīng)的工作壓力（F1和F2）。

為獲得循環(huán)次數(shù)的數(shù)據(jù)，有兩種方法：

（1）采用軟件模擬方法;

（2）實(shí)測(cè)載荷譜法，此種方法需要耗費(fèi)較大的人力和物力，但數(shù)據(jù)的有效性最好。

2.3 撥叉產(chǎn)品材料特性

在本文中，撥叉軸采用的材料為低碳合金鋼，按照不同的熱處理方式，其有兩種機(jī)械性能：

3 撥叉疲勞壽命計(jì)算

3.1 疲勞壽命計(jì)算方法

首先按照估算材料的等壽命曲線，其方法為：

估算零部件的對(duì)稱(chēng)循環(huán)疲勞極限σ-1，其估算方法為：材料的抗拉強(qiáng)度（Rm）/可靠度系數(shù)（sF）。

結(jié)合撥叉實(shí)際的工作環(huán)境，其可靠地系數(shù)sF的主要考慮是否存在表面硬化現(xiàn)象，如果有表面硬化情況，sF=3，無(wú)表面硬化情況，sF=4。

本例中，產(chǎn)品采用精沖工藝成型，存在表面硬化現(xiàn)象。 有國(guó)外資料介紹的精沖件表面硬化形式如圖5。

本例中實(shí)際產(chǎn)品檢測(cè)結(jié)果如下：

據(jù)此，本例中選擇可靠度的系數(shù)為3，計(jì)算其對(duì)稱(chēng)循環(huán)疲勞壽命如下：

將材料的抗拉極限與此值的商作為對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力的需用極限，標(biāo)注在縱軸上，再將材料的屈服極限標(biāo)注在橫坐標(biāo)上，連結(jié)此兩點(diǎn)，得到材料的等壽命曲線。

通過(guò)上圖可以獲取不同循環(huán)應(yīng)力比（r）的的需用應(yīng)力，在本例中，撥叉基本處于對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力的作用，故形成材料的S-N曲線如下：

通過(guò)此曲線和撥叉的工況即可以計(jì)算產(chǎn)品的疲勞壽命。

3.2 撥叉疲勞壽命計(jì)算結(jié)果

對(duì)撥叉進(jìn)行CAE分析，獲取材料的應(yīng)力分布，并將危險(xiǎn)截面的應(yīng)力值代入設(shè)計(jì)的換擋循環(huán)數(shù)據(jù)中，獲取相應(yīng)的疲勞壽命， 本例中，計(jì)算撥叉疲勞壽命如下：

由上表可見(jiàn)，按照原設(shè)計(jì)，采用材料1的產(chǎn)品疲勞壽命不足，而采用材料2的產(chǎn)品，疲勞強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

由于材料1和材料2的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，材料1更適合于精沖撥叉的生產(chǎn)，故為提高量產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)降低量產(chǎn)成本，以材料1的特性為基礎(chǔ)，對(duì)撥叉的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

以第3章所述方法對(duì)優(yōu)化后產(chǎn)品進(jìn)行疲勞計(jì)算，優(yōu)化后的產(chǎn)品疲勞壽命為：

為驗(yàn)證理論計(jì)算的符合性，在本例中，采用疲勞振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架并按照理論計(jì)算所采用的循環(huán)工況對(duì)所述產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如下：

5 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，本文闡述的疲勞壽命計(jì)算方法于實(shí)際結(jié)果有較高的符合性，對(duì)于在設(shè)計(jì)階段估算產(chǎn)品的疲勞壽命，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化設(shè)計(jì)有較高的實(shí)用意義。

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