換擋撥叉的有限元分析及優(yōu)化

孫成龍，馮飛，韓啟鋒

[坤泰車輛系統(tǒng)(常州)股份有限公司，江蘇常州 213011]

0 引言

隨著社會進步和生活品質(zhì)的提升，客戶對汽車舒適度的要求不斷增加，因此變速箱在換擋過程中不僅要滿足功能要求，還要考慮換擋的平順性。影響變速箱換擋平順性的因素有很多，如撥叉結(jié)構(gòu)、同步器性能、控制策略等，其中，撥叉結(jié)構(gòu)對于換擋平順性影響顯著。因此在設(shè)計研發(fā)階段，對撥叉結(jié)構(gòu)進行有限元仿真分析顯得尤其重要，在仿真分析評價中，不僅要評價撥叉結(jié)構(gòu)的強度剛度是否滿足要求，還要建立影響平順性的評價指標。

文獻[2-4]中通過建立有限元模型，對撥叉進行有限元分析，對強度和剛度進行評價，并在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計和驗證，保證了撥叉設(shè)計的安全性要求。但是在文中并沒有提及撥叉不同叉腳處的受力情況，對可能存在的偏載沒有相應(yīng)評價指標。文獻[5-6]在保證強度要求的前提下，通過在撥叉兩個叉腳處施加相同的力并比較它們變形的方法，提出了撥叉等剛度優(yōu)化設(shè)計的思路。并基于此進行撥叉的優(yōu)化，優(yōu)化前后剛度差從0.512 mm變成0.19 mm，降低幅度達到50%以上，提高了換擋平順性。但是文中并未給出明確的評價指標，而在實際的正向開發(fā)分析中需要有確定的評價指標來判斷設(shè)計是否滿足要求。

在變速箱的研發(fā)過程中，在結(jié)構(gòu)空間允許的情況下一般將撥叉設(shè)計成完全對稱結(jié)構(gòu)，此時可最大限度地保證撥叉兩個叉腳受力均勻，避免偏載。如果受到空間的限制，兩個叉腳必須設(shè)計得一長一短，需要保證兩個叉腳在工作過程中受力接近或相等。在實際工作中，為了達到這一目標，需要優(yōu)化分析多輪。特別是當設(shè)計工程師對撥叉設(shè)計經(jīng)驗欠缺時，可能優(yōu)化多達十幾輪。

文中基于多年設(shè)計開發(fā)和仿真分析經(jīng)驗，針對撥叉設(shè)計分析，提出了變形、應(yīng)力和左右叉腳支反力誤差等評價指標來指導優(yōu)化設(shè)計工作，并以某變速箱研發(fā)過程中撥叉的優(yōu)化分析為例來說明。其中叉腳支反力誤差給出了量化指標5%作為評判標準，對實際工作具有較強的指導作用。同時根據(jù)仿真分析的評價指標推導出撥叉設(shè)計的基本原則，從而減少撥叉優(yōu)化分析次數(shù)，提高工作效率，縮短項目的開發(fā)周期。

1 三維模型

圖1為優(yōu)化前撥叉的三維模型。該撥叉有3個叉腳，左右叉腳一長一短，中間叉腳和兩邊叉腳高度差為0.35 mm。其中中間叉腳設(shè)計原則如下：在正常工況下中間叉腳不工作，保持換擋平穩(wěn)；當出現(xiàn)沖擊等異常工況時，中間叉腳與齒套接觸并工作，保證撥叉系統(tǒng)的剛度和強度滿足要求。

圖1 優(yōu)化前撥叉的三維模型

2 有限元分析

文中使用合適的尺寸對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為2 mm，并對局部圓角進行細化，材料為鑄鋁ADC12，屈服強度為140 MPa，抗拉強度為240 MPa。最終建立的撥叉有限元分析模型如圖2所示。其中點與齒套相連，、兩點與撥叉兩端相連，模擬撥叉在液壓缸套中的狀態(tài)，和可以在軸線移動，其他自由度約束。具體加載條件見表1。

圖2 撥叉有限元分析模型

表1 撥叉有限元分析加載條件

利用ABAQUS軟件對有限元模型進行計算，得到撥叉的分析結(jié)果。圖3(a)、圖4(a)和圖5(a)分別展示了撥叉優(yōu)化前的應(yīng)力、變形和叉腳支反力結(jié)果。下面分別進行討論：

(1)根據(jù)圖3(a)展示的應(yīng)力云圖可知，優(yōu)化前的撥叉最大主應(yīng)力為212 MPa，遠大于材料允許的屈服強度140 MPa，需要進行優(yōu)化設(shè)計。

圖3 撥叉最大主應(yīng)力云圖

(2)根據(jù)圖4(a)展示的變形位移云圖可知，優(yōu)化前的撥叉最大位移為0.37 mm，位置在拔叉受力軸線上，數(shù)值在合理范圍內(nèi)，后期優(yōu)化設(shè)計時應(yīng)保證數(shù)值不大于此值。

圖4 撥叉變形位移云圖

(3)圖5(a)為優(yōu)化前撥叉3個叉腳所受支反力隨著軸向力增大時的變化曲線。由圖可知，撥叉中間叉腳一直未與齒套接觸，左右叉腳支反力線性增加，但是兩個力的誤差較大，長叉腳支反力最大值為229 N，短叉腳支反力最大值為1 021 N，誤差高達4倍多，設(shè)計不合理，需要進行優(yōu)化設(shè)計。

圖5 撥叉各叉腳支反力變化曲線

3 設(shè)計優(yōu)化分析

文中第2節(jié)展示了撥叉優(yōu)化前的分析結(jié)果，可以看出設(shè)計中存在不合理的地方，下面給出對應(yīng)的優(yōu)化思路和評價指標。

(1)應(yīng)力。針對應(yīng)力高的地方給出兩個方面修改建議：增大圓角半徑和提高相應(yīng)加強筋的高度。目標是最大主應(yīng)力數(shù)值小于屈服強度140 MPa。

(2)叉腳支反力。通過分析可知，叉腳設(shè)計存在兩個問題：一個是中間叉腳未接觸，在受載過程中未起到相應(yīng)的作用，高度差設(shè)計不合理，因此建議中間叉腳和兩邊叉腳的高度差數(shù)值由0.35 mm改為0.2 mm；二是兩邊叉腳的支反力誤差高達4倍，因此建議改變長短叉腳位置，同時建議長叉腳部分的筋加高加厚而短叉腳部分的筋降低減薄。目標是兩邊叉腳支反力誤差在5%以內(nèi)。

根據(jù)上述優(yōu)化思路和評價指標對撥叉進行優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)過三輪優(yōu)化分析得到滿足要求的設(shè)計如圖6所示。優(yōu)化后撥叉的分析結(jié)果如圖3(b)、 圖4(b)和圖5(b)所示，均滿足評價指標的要求，設(shè)計合理。撥叉優(yōu)化前后分析結(jié)果對比見表2。

圖6 優(yōu)化后撥叉三維模型

表2 撥叉優(yōu)化前后分析結(jié)果對比

4 結(jié)語

文中針對撥叉設(shè)計優(yōu)化問題，基于有限元法，提出了應(yīng)力、變形和叉腳支反力誤差等評價指標，用來綜合評估撥叉的設(shè)計，其中明確了撥叉兩邊叉腳的支反力誤差應(yīng)控制在5%以內(nèi)。并且通過實際優(yōu)化案例說明優(yōu)化思路及改進建議，對工程實際應(yīng)用具有一定的指導作用。基于撥叉有限元分析的方法和評價指標，提出以下?lián)懿嬖O(shè)計基本原則：

(1)撥叉兩邊叉腳的設(shè)計優(yōu)先考慮對稱結(jié)構(gòu)，特別對于新能源和部分混動變速箱，一般只有一個換擋撥叉，應(yīng)在項目初期合理布置撥叉位置。當無法保證對稱結(jié)構(gòu)時，應(yīng)在設(shè)計時保證長叉腳的筋略高或壁略厚，具體應(yīng)該根據(jù)偏載情況合理分布。

(2)若存在中間叉腳，應(yīng)設(shè)計中間叉腳和兩邊叉腳的高度差在0.2～0.3 mm，具體數(shù)值在優(yōu)化分析中確定。目標是在正常工況下中間叉腳不工作，保持換擋平穩(wěn)；當出現(xiàn)沖擊等異常工況時，中間叉腳與齒套接觸并工作，保證撥叉系統(tǒng)的剛度和強度滿足要求。

(3)撥叉兩邊叉腳受力點連線在齒套中心點附近，使得換擋時齒套受力不會產(chǎn)生偏載，保證換擋平順。