某手動換擋器強度問題的結構改進與分析

李秀娟

某手動換擋器強度問題的結構改進與分析

李秀娟

（南京奧聯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重要零部件，使用條件較為嚴苛惡劣，因此對其具有較高的強度要求。文章針對某手動換擋器的靜強度測試達不到強度要求問題對該換擋器進行改進設計，通過調整改進內部部件結構使改進后的換擋器成功通過靜強度測試，滿足產品性能要求。運用了有限元軟件對改進前后的模型進行了有限元分析，得到了更清晰的效果。使用試驗數據分析了換擋器在高低溫情況下安全系數的變化。

換擋器；安全系數；換擋性能

前言

近年來，由于居民收入的提高，汽車銷售價格的降低，使汽車走進越來越多的家庭。汽車行業對汽車零部件的各種標準也愈加嚴格。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度測試無法達到強度要求的問題進行改進，使用了有限元軟件Abaqus對改進設計前后的換擋手柄進行有限元分析，改進后的設計可以通過靜強度試驗,且通過不同工況下的試驗分析了在極端高低溫情況下換擋器安全系數的變化。

1 問題分析

汽車換擋器測試時目前各大汽車公司在進行換擋器研發和生產中，必不可少的一個環節，由于汽車換擋器使用條件嚴苛惡劣，因此對汽車換擋器的于高低溫條件下的強度要求很高[1]。

對某手動擋車型的換擋器進行靜強度測試時發現無法滿足強度要求，即在換擋方向500N時無變形、無松動，784N時無破壞；選檔方向350N時無變形、無松動，490N時無破壞。靜強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檔時左側選檔位，H為換5檔、倒檔時右側選檔位。

試驗時發現在未達到要求強度時出現上球套、底座、搖臂斷裂的情況，試驗數據如表1所示。

表1 靜強度測試

可以得到，換擋器在靜強度測試中換擋至3、4擋方向時強度可以達到784N無破壞的要求。但是換擋器在常溫選檔時，N-L方向在459.8N時上球套發生斷裂，未達到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方向時上球套僅在375N時就發生了斷裂。

2 換擋器的設計改進

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換檔搖臂（15），其中，所述的換檔桿下部設有球形節，球形節放置在由上、下球套（2，5）組成的球形空腔內，下球套下方裝有預壓的橡膠墊（6），用以補償磨損量，球套上方用上蓋（1）壓緊，上蓋可繞軸轉動，同時被底座（9）壓緊固定在整個機構上，換檔臂（15）可繞著軸進行旋轉。該換擋器的結構示意圖如圖1。

圖1 換擋器結構示意圖

2.2 換擋器改進方案

圖2 上球套設計前后對比

針對此換擋器原設計達不到強度要求的問題，本文提出如上改進方案。

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

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

圖3 上蓋模型前后對比

底座的改進方案為（1）在底座上加加強筋；（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對換擋器設計進行分析[4-5]。

為驗證改進效果，對換擋器的新舊模型使用Abaqus進行了有限元靜力分析。其中有限元模型的材料設置為上/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生率，幫助改善心血管病的預后。而他汀類藥物的抗炎作用對于患者有多樣化的治療效果，所以我們應該充分的發揮他汀類藥物的治療作用應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”，在重視和應用他汀類藥物時，也應充分的注意他汀類藥物的應用禁忌，嚴格遵照醫囑，按照他汀類藥物的使用說明應用該藥物幫助患者恢復健康。

表2 N-L方向，受力490N工況下新舊模型有限元結果對比

有限元分析結果顯示在換擋器從N檔換至L選檔位置時上球套的原模型在490N的受力情況下最大應力為195MPa，改進后上球套模型的最大應力只有37MPa；上蓋的原模型有限元計算得出的最大應力為233MPa，改進后模型最大應力為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果對比

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

從以上例子可以看出，“確認過眼神X”構式中的“X”可以指人、物、景，甚至是文化，電視劇等等，而變項“X”在進入該構式時，構式“確認過眼神X”會對這些變項產生壓制作用：“若一個詞項與它的句法環境在語義上不兼容，詞項的意義便會順應它所在的構式意義。”[6]42

盡管有限元分析是機械設計中一種強力的分析工具，但有限元分析結果與實際情況仍會有部分差異，為此使用850N的工況對新模型進行與上述條件的有限元分析。得到850N時N-L方向上球套的最大應力為64MPa，上蓋最大應力為218MPa；N-H方向搖臂最大應力為217MPa，底座最大應力為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材料的抗彎強度為96MPa，杜邦材料的抗彎強度為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，傳統說教形式的教學模式收效甚微。因此，管理者應更加專注于學生易于接受與吸收的新媒體領域，開拓的路徑與敏銳的思維碰撞產生了新的思路，學生視野得以開闊。這相應地為管理者工作提出了更高的要求，適應新形勢，用喜聞樂見的工作模式更好地讓學生融入新環境，才能不斷更新觀念，創造出更加優秀的作品。

有限元分析可以得到，經過對上球套、上蓋、底座和搖臂的改進，得到的新模型強度更高、結構更好，并且可以滿足設計的要求。

上海化工研究院科研工作也進行了相應的安排、探索。2006級碩士研究生賀少鵬，其學位論文“有機污染物的正辛醇/水分配系數預測及QSPR研究”，導師是徐大剛、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目和參與討論。2009年3月筆者還從賀少鵬處借閱《化學計量學方法》，閱讀后2011年網購了幾本贈與有關專業人員學習、應用。2012年又閱讀了商照聰、賀少鵬的論文“有機污染物分配系數（正辛醇/水）預測軟件比較研究”。

4 試驗測試

換擋器的改進后的新模型雖然有限元已經驗證其改進有效，但是仍需要試驗的驗證，仍對其進行常溫、80℃、-35℃條件下N-3、N-4、N-L、N-H方向的靜強度測試。

數學的特點之一就是抽象，尤其是對于高中數學知識點而言，相比較小學初中的內容，高中數學更加抽象化，需要學生具備一定的抽象思維能力，很多的知識點可能在我們的實際生活中并不會直接接觸，對學生來說就較為陌生.而教師在教學時往往是以自己為主，忽視了學生的感受.直截了當地將知識點展現給學生，結合例題來幫助學生進行理解.缺少一個過渡，對學生來說還是存在很大的理解難度.因此，為了解決這個問題，我們可以合理地利用多媒體來進行理論知識點的導入.結合教材呈現的內容，設計一個導入方法來吸引學生.如圖片、視頻等，提高學生的學習興趣，使得學生可以積極地參與到后續的學習過程中.

得到的實驗數據如下表4所示，在常溫、80℃與-35℃情況下上蓋與底座斷裂時的力均大于強度要求。

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

表4 靜強度測試

實驗表明，改進后的換擋器可以達到強度要求，即在換擋方向500N時無變形、無松動，784N時無破壞；選檔方向350N時無變形、無松動，490N時無破壞。

5 安全系數分析

安全系數是在機械零件設計中，衡量設計對象的安全程度即零件本身能承受外載作用程度的一個重要尺度。將零部件所用材料的極限應力σ除以許用應力s得到的比值稱為安全系數，用n表示[6-7]。即

由此可以看出，在中國語境之下，社會工作專業教育人才在一線社會工作之外是完全可以面向政府相關部門的，這也是政府的需求，他們的政務工作中需要社會工作專業的學生去施展特長，比如南京市的“全科政務”服務模式，就是在黨中央明確提出要繼續簡政放權、放管結合、優化服務，推動政府職能向創造良好發展環境、提供優質公共服務、維護社會公平正義的轉變背景下，南京市棲霞區政府率先試點推行“全科社工”的政府公共管理與服務體制改革，社會工作專業人員在政務工作中發揮了積極的作用。

n=σ/s （1）

已有的第四章的試驗數據，給出了各種工況下換擋器零部件的極限載荷，同時第一章已給出了換擋器的強度要求。但是靜強度測試是破壞性試驗，得到的是破壞時的載荷而非應力，因此根據試驗得到的數據，使用載荷的數據代替應力來計算改進后換擋器的安全系數。即測試斷裂載荷Fcs除以強度要求不發生破壞的載荷F=490N得到安全系數：

n=Fcs/F （2）

表5 根據測試數據計算得到安全系數

可以看到，高低溫顯然對安全系數產生了影響，在80℃與-35℃條件下，安全系數關于常溫時的變化如表6。

表6 安全系數關于高低溫條件的變化率

除了-35℃條件下底座的安全系數提升了，其他三種工況的安全系數都下降了。根據第一章給出的數據可以發現，原模型的底座在-35℃的斷裂載荷854.2N也大于常溫時的798.1N，這應是底座的結構與受力導致低溫時強度增加。

根據表6其他數據可以得到高低溫會對換擋器零部件的安全系數產生影響，但是影響均小于10%。因此，高低溫工況顯然會對換擋器強度產生影響，需要設計時給與關注，而本文改進的結構符合靜強度要求。

6 結論

分析對象通過結構改進，采用有限元分析工具，研究對象在載荷下的強度表現，通過不同工況下的將強度測試驗證設計模型是符合設計要求。根據試驗數據通過安全系數分析了高低溫對換擋器強度的影響。本文針對該手動換擋器強度不達標的情況進行了結構的改進。改進的模型經過有限元計算分析得出其強度得到了提高，新的換擋器通過靜強度測試驗證了其強度可以達到標準。根據試驗數據通過安全系數分析了高低溫對換擋器強度的影響。換擋器成功進行了改進，改進后的換擋器可以在滿足強度的前提下，減輕了重量。

參考文獻

[1] 王中偉,馬強.汽車換擋器高低溫疲勞試驗裝置控制系統[J].汽車零部件,2009(11):35-38.

[2] 王望予.汽車設計-第4版[M].機械工業出版社, 2004.

[3] 李秀娟,陳婷.一種手動手動換檔器的制作方法:中國,CN20122049 1414.5[P].2013-01-16.

[4] R.D.庫克.有限元分析的概念和應用[M].科學出版社,1981.

[5] 趙騰倫. ABAQUS 6.6在機械工程中的應用[M].中國水利水電出版社,2007.

[6] 徐灝.機械強度設計中的安全系數和許用應力[J].機械強度,1981 (2):41-47.

[7] 周潔.安全系數與可靠性[J].機械設計與制造,1999(5):3-5.

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

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2019)13-54-04

作者簡介：李秀娟，就職于南京奧聯汽車電子電器股份有限公司，主要從事換擋器產品開發工作并研究換擋器產品在材料選用、結構設計、功能保證、安全特性等內容。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.020