汽車換擋選擇軸E形環(huán)的軸向拉壓疲勞壽命仿真分析

劉永興 王強 沈濤

摘 要：以汽車換擋選擇軸E形環(huán)為研究對象，進行軸向拉壓工況下的疲勞試驗，采用基于SolidWorks的有限元進行疲勞仿真分析，并將疲勞仿真分析對標試驗結(jié)果，結(jié)果基本一致，驗證了有限元仿真模型和疲勞仿真模型的準確性。

關(guān)鍵詞：E形環(huán);有限元;疲勞仿真分析

中圖分類號：U463.33文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）22-0090-03

Abstract： Taking the E-ring of automobile shift selection shaft as the research object， the fatigue test under axial tension and compression condition was carried out. The fatigue simulation analysis was carried out by using the finite element method based on SolidWorks. The results were basically consistent， which verified the accuracy of the finite element simulation model and the fatigue simulation model.

Keywords： E-ring;finite element;fatigue simulation analysis

汽車換擋軸是變速器的重要部件之一，在汽車換擋過程中，換擋軸通過換擋桿帶動，能沿自身軸線方向移動和旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)換擋操作[1]。在換擋操作過程中，E形環(huán)受到軸向的拉壓力作用。本文以某汽車配件公司對汽車換擋選擇軸E形環(huán)的生產(chǎn)和試驗要求，在設(shè)計和制造疲勞試驗裝置的基礎(chǔ)上，基于SolidWorks軟件對E形環(huán)進行疲勞壽命的仿真分析。

1 汽車換擋選擇軸E形環(huán)疲勞試驗裝置及試驗要求

將E形環(huán)安裝在汽車換擋選擇軸的凹槽內(nèi)（見圖1），通過轉(zhuǎn)軸對E形環(huán)施加一軸向力，使其作用于材料為PA6的導(dǎo)塊上。要求進行2項疲勞試驗：一是軸向力[F]=20 N，作用時間持續(xù)1 s，循環(huán)500 000次;二是軸向力大小[F]=800 N，作用時間10 s，循環(huán)10次[2]。

圖2為汽車換擋選擇軸E形環(huán)的疲勞試驗裝置，采用氣缸施力，加載于轉(zhuǎn)軸端面上，并通過控制氣體壓力大小保證試驗對載荷大小的要求[3]。

2 三維建模和材料定義

E形環(huán)軸向拉壓疲勞仿真的流程如圖3所示，利用SolidWorks軟件建立E形環(huán)的三維模型，輸入材料屬性、劃分網(wǎng)格、定義載荷和加載邊界條件后，輸出應(yīng)力分析，并在應(yīng)力分析基礎(chǔ)上進行疲勞仿真分析[4-7]。

根據(jù)E形環(huán)幾何尺寸和相關(guān)參數(shù)，采用SolidWorks建立E形環(huán)有限元模型，定義E形環(huán)材料65Mn的各項參數(shù)，取彈性模量為197 000 MPa、泊松比為0.282、抗拉強度為980 MPa、屈服強度為785 MPa，質(zhì)量密度為7 820 kg/m3。同時，對汽車換擋選擇軸中與E形環(huán)的工作狀態(tài)相關(guān)的零部件進行模型簡化，包括轉(zhuǎn)軸、導(dǎo)塊及直線軸承。

3 E形環(huán)應(yīng)力仿真分析

利用SolidWorks自帶的網(wǎng)格劃分模塊對E形環(huán)模型進行網(wǎng)格劃分，定義引力條件為[g]=9.81 N/kg，通過轉(zhuǎn)軸對E形環(huán)施加廠家要求的軸向力，設(shè)置E形環(huán)與轉(zhuǎn)軸凹槽、E形環(huán)與導(dǎo)塊之間為無穿透接觸連接。

在軸向拉壓試驗仿真結(jié)果中，如圖4所示，E形環(huán)在[F]=20 N作用力下持續(xù)1 s時，應(yīng)力集中出現(xiàn)在與導(dǎo)塊接觸面的壁厚變化最大交接處，最大應(yīng)力為18.137 MPa;E形環(huán)在[F]=800 N作用力下持續(xù)10 s時，最大應(yīng)力出現(xiàn)在與選擇軸凹槽接觸處，最大應(yīng)力為186.45 MPa。

4 E形環(huán)疲勞壽命仿真分析

疲勞破壞實質(zhì)上是一個損傷逐步累積的過程[8]。在軸向拉壓力的反復(fù)作用下，E形環(huán)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中部位或最薄弱部位最先萌生出疲勞裂紋。隨著疲勞裂紋的擴展和材料的剝落，最終導(dǎo)致E形環(huán)疲勞失效直至斷裂。E形環(huán)軸向拉壓疲勞破壞仿真分析是在廠家要求的循環(huán)次數(shù)下，由材料的S-N曲線計算得出，材料的S-N曲線由廠家提供。

將應(yīng)力仿真得到的E形環(huán)應(yīng)力結(jié)果和載荷周期加載到SolidWorks Simulation模塊中，采用Soderberg平均應(yīng)力糾正，疲勞強度縮減因子取0.56。

運行得到E形環(huán)的疲勞壽命仿真分析結(jié)果。圖5為E形環(huán)在[F]=20 N作用下的疲勞壽命云圖，其生命周期在1.4×108次，遠高于廠家要求的50萬次。圖6為E形環(huán)在[F]=800 N作用下的疲勞壽命云圖，其生命周期在13 000次，也遠高于廠家要求的10次。

5 結(jié)論

①應(yīng)用所建立的E形環(huán)靜態(tài)有限元模型可以有效地確定E形環(huán)的應(yīng)力關(guān)鍵部位。

②應(yīng)用所建立的E形環(huán)模型進行疲勞仿真分析，可以計算出E形環(huán)在不同應(yīng)力作用下的疲勞壽命。

③按照廠家要求，在試驗室通過疲勞試驗裝置對E形環(huán)進行疲勞試驗，判斷結(jié)果為：進行耐久試驗后E形環(huán)無變形、損壞、與裝配部件分離。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果一致。

④結(jié)合疲勞壽命仿真分析和試驗結(jié)果，可以為汽車換擋選擇軸相關(guān)零部件的日常維護和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的參考依據(jù)。

參考文獻：

[1]重慶荊江汽車半軸有限公司.一種換擋軸存放架：201420632267.8[P].2014-10-27.

[2]劉永興，王強，陽彥雄.一種E型密封圈疲勞試驗裝置的設(shè)計與研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2020（3）：87-88，92.

[3]劉家倫，劉永興，蔣世應(yīng).一種E-擋圈的檢測試驗裝置設(shè)計[J].中國機械，2015（1）：11-12.

[4]王霄鋒，鄒平，陳元衛(wèi).一種轎車扭轉(zhuǎn)梁的疲勞壽命計算方法研究[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車，2020（3）：15-18，22.

[5]孫躍，孫圓.基于彎曲和徑向疲勞試驗的車輪仿真分析[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報，2019（2）：37-42.

[6]陳平，方杰，周志.變速箱換擋撥叉疲勞壽命分析[J].機械強度，2020（3）：688-693.

[7]任甲舉，王慶雷，劉衛(wèi)，等.基于Workbench的鏈條拆節(jié)機撞針疲勞壽命分析[J].機械傳動，2019（3）：130-132.

[8]許金泉，郭鳳明.疲勞損傷演化的機理及損傷演化律[J].機械工程學(xué)報，2010（2）：40-46.