精沖撥叉疲勞壽命計算方法研究

郭應清　王銅奎

摘 要：文章介紹一種對DCT（沖壓+焊接）撥叉的疲勞壽命計算方法。解決了在無準確的材料S-N曲線的情況下，依據材料的常用性能參數（屈服強度Rp0.2和抗拉強度Rm）近似繪制在不同可靠度下的S-N曲線，基于此曲線對某款DCT產品的撥叉進行疲勞壽命的計算，同時通過試驗驗證計算結果的可信性，保證在滿足產品疲勞壽命要求的前提下，實現產品小型化和輕量化。關鍵詞：DCT;沖壓;焊接;撥叉;S-N曲線;疲勞壽命中圖分類號：U467? 文獻標識碼：B? 文章編號：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 疲勞壽命計算方法

疲勞設計有兩種主要原則：（1）無限疲勞壽命設計;（2）有限疲勞壽命設計。無限疲勞壽命設計準則要求零部件的工作應力在其疲勞極限以下，這通常造成零部件結構尺寸大，過于笨重。有限疲勞壽命設計準則也稱安全壽命設計準則，它保證在一定的使用期限內安全運行，所以允許部分工作應力超過疲勞壽命極限，有限疲勞壽命設計準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，一般零部件設計均可以采用此種方法，實現零部件的輕量化。

對于有限疲勞壽命設計準則，其重要依據是疲勞損傷累計理論，概述如下：

疲勞損傷累計理論是指：當零部件承受高于疲勞極限的應力時，每一個循環將使材料產生一定量的損傷，這種損傷可以累計，當損傷積累到一定的臨界值時發生斷裂，其實質是每次應力作用下，都將在材料內部形成微裂紋，隨著應力作用次數的增加，微裂紋相互合并成長，導致材料的變質和惡化，由微裂紋擴展為宏觀裂紋，最終導致斷裂。

疲勞累計損傷理論分為三大類：

1.1 性疲勞累計損傷理論，最有代表性的是帕姆格倫-邁因納理論

材料在各應力下的疲勞損傷是獨立的，并且可以線性累加起來，如下：

1.2 非線性疲勞累計損傷理論，最有代表性的是科爾頓和多蘭理論

1.3 其他的累計損傷理論

此類理論多是從實驗室、觀察室和分析推導出來的損傷公式，多屬于經驗和半經驗公式，如Levy、Kozin等。

為了保證撥叉滿足疲勞壽命要求，同時實現撥叉結構的輕量化，在此款DCT項目撥叉的疲勞壽命設計中采用有限疲勞壽命設計準則。

2 撥叉工況條件

2.1 撥叉工作原理

撥叉在工作過程中，由液壓系統提供的液壓油作用在撥叉桿左（右）兩端的活塞上，活塞將液壓力轉換為機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，并推動同步器齒套，完成換擋，如下圖所示：

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

由上圖可以看出，在整個換擋過程中，齒套的反作用力（阻力）是變化值，但會在一個較長時間段內穩定在某一個穩定值，且如果同步器設計良好，此值（如上圖Fc）即為整個換擋過程中的最大值，在我們的計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

在撥叉整個壽命期間內，撥叉將處在F1和F2的反復作用下，通常，F1和F2作用的次數在105以上，但不同次數的F1和F2是變動的值，在進行疲勞計算時，首先需要確認的條件為：撥叉工作的循環次數和對應的工作壓力（F1和F2）。

為獲得循環次數的數據，有兩種方法：

（1）采用軟件模擬方法;

（2）實測載荷譜法，此種方法需要耗費較大的人力和物力，但數據的有效性最好。

2.3 撥叉產品材料特性

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，其有兩種機械性能：

3 撥叉疲勞壽命計算

3.1 疲勞壽命計算方法

首先按照估算材料的等壽命曲線，其方法為：

估算零部件的對稱循環疲勞極限σ-1，其估算方法為：材料的抗拉強度（Rm）/可靠度系數（sF）。

結合撥叉實際的工作環境，其可靠地系數sF的主要考慮是否存在表面硬化現象，如果有表面硬化情況，sF=3，無表面硬化情況，sF=4。

本例中，產品采用精沖工藝成型，存在表面硬化現象。 有國外資料介紹的精沖件表面硬化形式如圖5。

本例中實際產品檢測結果如下：

據此，本例中選擇可靠度的系數為3，計算其對稱循環疲勞壽命如下：

將材料的抗拉極限與此值的商作為對稱循環應力的需用極限，標注在縱軸上，再將材料的屈服極限標注在橫坐標上，連結此兩點，得到材料的等壽命曲線。

通過上圖可以獲取不同循環應力比（r）的的需用應力，在本例中，撥叉基本處于對稱循環應力的作用，故形成材料的S-N曲線如下：

通過此曲線和撥叉的工況即可以計算產品的疲勞壽命。

3.2 撥叉疲勞壽命計算結果

對撥叉進行CAE分析，獲取材料的應力分布，并將危險截面的應力值代入設計的換擋循環數據中，獲取相應的疲勞壽命， 本例中，計算撥叉疲勞壽命如下：

由上表可見，按照原設計，采用材料1的產品疲勞壽命不足，而采用材料2的產品，疲勞強度滿足要求。

4 優化設計及試驗驗證

由于材料1和材料2的組織結構特點，材料1更適合于精沖撥叉的生產，故為提高量產產品質量，同時降低量產成本，以材料1的特性為基礎，對撥叉的結構進行優化。

以第3章所述方法對優化后產品進行疲勞計算，優化后的產品疲勞壽命為：

為驗證理論計算的符合性，在本例中，采用疲勞振動試驗臺架并按照理論計算所采用的循環工況對所述產品進行試驗驗證，試驗結果如下：

5 結論

通過試驗驗證，本文闡述的疲勞壽命計算方法于實際結果有較高的符合性，對于在設計階段估算產品的疲勞壽命，實現產品的輕量化設計有較高的實用意義。

參考文獻

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