新型電子換檔器有限元分析及結構優化

王 穩， 程曉農

(1. 蘇州健雄職業技術學院，江蘇 太倉 215411； 2. 江蘇大學 材料科學與工程學院，江蘇 鎮江 212013)

0 引 言

隨著人民生活水平的提高，汽車已經成為生活必需品。換擋器作為操縱車輛行駛的重要部件，人們對其操作舒適性、耐用性和安全性提出越來越高的要求[1]。就汽車選型而言，換擋器是消費者考慮的重要因素，而電子換檔器憑借多變的造型外觀、緊湊的結構以及方便快捷的檔位方式，贏得廣大消費者的青睞[2]。由于電子換檔器要搭載昂貴的電子變速箱方能使用，現有的電子換檔器都是應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、這些都成為相關技術人員亟需解決的課題。

譚火南等[6]針對自動換擋器換擋力曲線不理想的問題，對齒形板形狀、定位滾輪尺寸和彈簧剛度進行了優化，從而改善了自動換擋器的使用性和換擋手感。彭江等[5]依據換擋過程的功能要求及控制邏輯，為搭載機電控制式無極變速器(Electric Mechanical Continuously Variable Transmission,EMCVT)設計了一種新型的電子換擋系統，并制定了控制器局域網(Controller Area Network,CAN)通信協議，保證信號傳輸的可靠性，提高了控制系統的集成度，最終提高了整車的操縱性和安全性;李先[7]通過有限元分析和靜力拉伸試驗，進行了PP40(玻璃纖維增強的聚丙烯)和PA30(玻璃纖維增強的聚酰胺)兩種材料的自動換擋器的疲勞分析，并以此預測了自動換擋器的疲勞壽命。以上研究，雖然對自動換擋器和電子換擋器的可用性和疲勞壽命進行了分析和研究[8-11]，但是并未涉及電子換擋器的通用性設計，以及自動換擋器的材料未進行研究。

基于該現狀，本文結合某品牌汽車公司的實際生產需要，設計了一種新型電子換檔驅動器，主要通過磁性齒輪和霍爾傳感器實現換擋識別功能。它具有較好的通用性且可以與現有自動變速箱配合使用；同時，使用有限元分析軟件NX Nastran 對電子換檔驅動器的主要部件蝸殼進行了機械性能仿真分析，找出蝸殼在工作過程中應力應變最大的部位，為進一步優化其結構提供依據。

1 新型電子換檔器工作原理

1.1 設計基本要求

針對目前電子換檔驅動器存在的問題，所設計的電子換檔驅動器能達到以下基本要求：既能與昂貴的電子變速箱配合使用，也能與價格低廉的自動變速箱配合使用，具有較好的通用性，實現不同型號的汽車都能夠擁有電子換檔器帶來的優勢;同時，制造成本低。

1.2 工作原理

為實現物美價廉和綜合性能優良的目標，考慮電子換擋器的功能、實用、經濟等因素，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、從動輪、凸塊、拉鎖接頭、卡板組成。該裝置主要通過機械、電磁原理實現電子換擋，工作原理如下：汽車的中央控制單元將換檔信號傳送至電動機,電動機執行換檔信號命令旋轉，使主動輪旋轉，主動輪通過同步齒型帶帶動從動輪旋轉，使螺桿旋轉，繼而帶動蝸殼滑動，蝸殼內安裝的推桿也隨著螺桿運動；同時，在蝸殼上的凸塊通過卡板帶動齒條沿著軌道運動，齒條推動磁性齒輪進行旋轉運動，使磁性齒輪產生的磁場發生了變化，通過霍爾傳感器感應的磁場變化信號，識別檔位信息；汽車的中央控制單元根據檔位信息調整電動機旋轉位置，使推桿移動到指定位置。由于推桿與拉鎖接頭連接，拉鎖接頭連接變速箱的換檔臂，故能夠實現拉動變速箱的換檔臂完成換檔。

圖1 電子換檔驅動器結構示意圖

2 換檔器有限元建模

2.1 蝸殼材料選擇

對于電子換擋器，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，它的機械穩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。

由蝸殼的結構決定了蝸殼零件是注塑、鑄造或壓力加工件；由蝸殼組件的機械運動特性決定了蝸殼零件要具有較好的耐磨性；使用中通過蝸殼帶動齒條齒輪運動，利用磁性齒輪的磁場變化信號識別檔位信息，所以對于蝸殼在外力作用下產生的位移也必須予以限制；所以蝸殼材料的選擇要根據以上幾點綜合考慮[12-13]。

通過調研合作企業的客戶認證材料庫中的資料，結合以上幾點綜合考慮，初選目前應用較多的蝸殼制作材料如下：

(1) PET+35GF(加玻纖35%的聚對苯二甲酸乙二醇酯)：熱變形溫度和長期使用耐溫度高，蠕變和疲勞性好。適用于線圈骨架、變壓器、電視機、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)：機械強度、剛度、硬度、韌性高、耐老化性能好、機械減振能力好、良好的滑動性、優異的耐磨性、機械加工性能好。用于制作小家電外殼、運動器材、汽車真空助力器閥體、其他需要有抗沖擊性和高強度要求的產品等；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，能很好地承受熱態或冷態壓力加工。

選材的依據主要是綜合考慮功能性、經濟性、實用性等，本文選取聚對苯二甲酸乙二醇酯(Polythylene terephthalate，PET)、聚己二酸己二胺(PA66)、錫青銅(QSn4-3)，3種材料作為研究對象，其機械性能參數如表1所示。

表1 蝸殼材料在140 °C、濕度50%條件下時的特性

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果的準確性[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，另一種是通過專業建模軟件繪制，如UG，然后導入到有限元軟件當中。由于NX Nastran自帶的建模工具功能有限，對于較復雜的機械結構并不方便，因此本文利用三維設計軟件UG繪制電子換檔驅動器的立體圖，導入有限元分析軟件Nastran NX并分別定義材料屬性[15-17]，如圖2所示。

圖2 未進行網格劃分的蝸殼原始圖

2.3 網格劃分

有限元網格劃分是進行數值模擬分析至關重要的一步，它直接影響后續數值計算分析結果的精確性,根據零件尺寸大小，綜合考慮幾何圖形的曲率以及線與線的接近程度計算精度和占用計算資源大小，本文采用網格是用hypermesh劃分的平面單元，再導入到Nastran前處理生成四面體實體單元，網格質量要求縱橫比小于8，劃分網格大小在1 mm左右，總網格數242 749，節點數53 975，因其為微小變形分析,也不受大彎曲，使用四面體一階實體單元，網格劃分模型如圖3所示。

圖3 換檔驅動器網格圖

2.4 施加約束和載荷

根據電子換檔驅動器的結構和工作原理，通過螺旋傳動，螺桿將運動傳動給固定在蝸殼上的內螺紋套；使蝸殼移動，蝸殼將力傳遞至推桿完成換擋任務。在正常工作的情況下，推桿主要受到換檔時兩個方向的中心軸向力，即推力和拉力，該力最大是1.2 kN(負載大小根據換擋驅動器的相關標準及產品設計要求所確定)。在受力分析時，將螺桿與內螺紋套施加固定約束，其加載情況如圖4所示。

圖4 換檔驅動器的載荷與約束

2.5 求解及后處理

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

3 結果討論與分析

3.1 施加拉力時不同材料蝸殼靜力學分析

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

電子換擋器是汽車換擋的關鍵器件之一，其安全性是需要重點考慮的指標之一。按照vonmises應力準則，安全系數是材料最大抗拉強度除以計算應力得到，可得到3種不同材料情況下蝸殼的應力安全系數，結果見表2。安全系數各公司都有自己標準，主要考慮產品材料，加工工藝，工況等因素得出，也是經過仿真和實驗對比驗證之后確定的。應力安全系數參照合作企業內部標準，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時的有限元分析結果

由圖5可知，當沿中心軸施加1.2 kN的拉力時，由于蝸殼零件結構特性和材料最大抗拉強度決定，在蝸殼的推桿球頭安裝處左右位置產生最大的應力，3種不同材料的最大應力出現的位置基本相同，PET+35GF蝸殼的最大應力為68 MPa；PA66+50GF蝸殼的最大應力為79 MPa；QSn4-3蝸殼的最大應力為173 MPa。

同樣，由于受到外力后，零件間傳遞力的作用，蝸殼都呈現出不同程度的位移，對于不同的材料，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種材料的應力安全系數有明顯的區別，當材料為QSn4-3時，蝸殼的應力安全系數為2.39；而當材料為PET+35GF和PA66+50GF，二者的應力安全系數基本相同，分別為1.04和1.10。

對于電子換擋器，在使用過程當中，理想的狀況是在載荷作用下能承受更大的應力，最小的位移，最大的安全系數。因此，當溫度為140 ℃，沿中心軸拉力為1.2 kN時，蝸殼材料為QSn4-3較為理想。

3.2 施加推力時不同材料蝸殼靜力學分析

通過有限元分析，分別研究了當溫度為140 ℃，沿中心軸推力為1.2 kN時，3種不同材料的蝸殼的應力分布圖如圖6所示。根據蝸殼零件結構特性和材料最大抗拉強度，計算得到3種不同材料情況下的蝸殼應力安全系數，結果如表3所示。

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

表3 不同材料在推力1.2 kN時的有限元分析結果

同樣，由于受到外力后，零件間傳遞力的作用，蝸殼都呈現出不同程度的位移，對于不同的材料，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的蝸殼位移量僅為0.10 mm。

從表3可知，3種材料的應力安全系數存在著明顯的區別，當材料為QSn4-3時，蝸殼的應力安全系數為2.43；而當材料為PET+35GF和PA66+50GF，二者的應力安全系數分別為1.04和1.14。

對于電子換擋器，在使用過程當中，理想的狀況是在載荷作用下能承受更大的應力，最小的位移，最大的安全系數。因此，當溫度為140 ℃，沿中心軸推力為1.2 kN時，蝸殼材料為QSn4-3較為理想。

以上分析可知，當選用蝸殼材料為PET-35GF，溫度為140 °C，沿中心軸拉力和推力均為1.2 kN時，應力安全系數均為1.04，安全系數均不達標，顯然，電子換檔器蝸殼材料采用PET-35GF是不可行的設計方案。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，應力安全系數為1.10，此時安全系數稍?。粶囟葹?40 °C，沿中心軸推力為1.2 kN時，應力安全系數為1.14，此時安全系數也稍小。若蝸殼材料選擇PA66+50GF，則需要更改局部設計，即增加蝸殼相應處的厚度及增加內部肋板，以保證使用時的安全性能。根據有限元數據分析結果，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時需增加厚度的示意圖

當選用蝸殼材料為QSn4-3，溫度為140 °C，沿中心軸拉力和推力均為1.2 kN時，應力安全系數分別為2.39和2.43，安全系數均達標，說明其滿足了安全使用性能，可知，其符合設計要求和選材標準，QSn4-3是可行的選材方案。

4 結 語

設計了一種新型電子換擋驅動器，并采用有限元分析軟件NX Nastran對其關鍵部件蝸殼進行靜力學分析，分別研究了3種不同材料的蝸殼在工作過程中最大應力、應變位置及安全性能，并對蝸殼結構進行了優化。仿真結果表明：在溫度為140 °C，沿中心軸拉力和推力均為1.2 kN的工作環境條件下，材料QSn4-3均具有較大的最大應力、較小的位移量和較大的應力安全系數，能夠滿足電子換擋器的性能和結構要求；材料PA66+50GF的均具有較小的最大應力、較大的位移量和較小的應力安全系數，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的各項參數均無法滿足電子換擋器的性能要求。這為電子換擋器新產品的開發、改進和生產提供了技術資料和參考依據,為電子換檔驅動器蝸殼的實際生產提供數據參考，故具有良好的實用性和較好的經濟性。