某減速機(jī)撥叉有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊志龍，陳龍

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

某減速機(jī)撥叉有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊志龍，陳龍

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

∶文章以某減速機(jī)撥叉為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其在換擋過(guò)程中的強(qiáng)度性能及變形量進(jìn)行了有限元分析，從而設(shè)計(jì)出最完善合理的結(jié)構(gòu)。最終結(jié)果表明，優(yōu)化后的撥叉在同等工況下變形量減小了約75%，最大應(yīng)力減小了約50%，對(duì)減速機(jī)換擋的平順性、穩(wěn)定性以及使用壽命都大大增強(qiáng)，同時(shí)還使得整體結(jié)構(gòu)布局更加緊湊。

∶撥叉；減速機(jī)；有限元分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.047

CLC NO.: U463.51Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-135-02

前言

自從減速機(jī)誕生以來(lái)，撥叉已經(jīng)成為其重要的零部件之一。撥叉作為過(guò)渡件將外部操作與內(nèi)部齒輪組連接起來(lái)，通過(guò)對(duì)不同齒輪間的結(jié)合與斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)不同速比的動(dòng)力傳輸，達(dá)到所需的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在撥叉運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于兩端的受力不均及中心距尺寸的落差，會(huì)出現(xiàn)不同程度的形變與彎曲，對(duì)嚙合寬度，受力區(qū)間，以及換擋的可靠性都有影響，嚴(yán)重的可能出現(xiàn)打齒、磨損，甚至齒根斷裂等危險(xiǎn)情況。所以，為了保障減速機(jī)順暢換擋的可靠性，對(duì)減速機(jī)中的撥叉形狀、受力分析及附屬結(jié)構(gòu)做出最優(yōu)的設(shè)計(jì)非常重要。

1、有限元模型的建立與分析

撥叉通過(guò)上端的撥叉軸進(jìn)行外力的操縱，下端通過(guò)半環(huán)形邊套在嚙合套上，往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)齒輪組的結(jié)合與分離（即掛檔與摘擋的動(dòng)作）。對(duì)于此減速機(jī)的分析，截取撥叉局部結(jié)構(gòu)如圖1所示，撥叉形狀如圖2所示。

圖1　撥叉安裝位置

建模所需的基本參數(shù)如下：撥叉材料為20CrMnTi，屈服強(qiáng)度為835MPa，彈性模量為210GPa，泊松比為0.28，密度為7830kg/m3。

圖2　撥叉形狀

鑒于外接氣缸對(duì)撥叉做軸向操作，考慮到氣缸的輸出屬性，在軸端施加200kg的力后，得到減速機(jī)撥叉做出的內(nèi)部應(yīng)力云圖、變形情況，分析關(guān)鍵位置變形曲線，從而找到薄弱環(huán)節(jié)予以加強(qiáng)，找到過(guò)盈位置予以修改，這就是此次對(duì)撥叉優(yōu)化遵循的基本原理。

工況模擬分析（撥叉頂端施加力、下端約束，模擬掛檔時(shí)的狀態(tài)）

圖3　應(yīng)力云

圖4　變形位移量

通過(guò)圖3、圖4的結(jié)果所示，減速機(jī)撥叉的最大應(yīng)力點(diǎn)處的應(yīng)力強(qiáng)度約為369MPa，最大位移量約為6mm左右。

從分析結(jié)果來(lái)看，此工況下?lián)懿嫘巫兞孔畲笫窃?mm左右，這對(duì)于換擋的可靠接觸面、受力及結(jié)構(gòu)的緊湊型布置都有很大的影響。所以在保證上下兩端中心距無(wú)法改變的前提下（由于受外殼體形狀及對(duì)接其他件的空間需求等多因素限定），針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)撥叉形狀做出合理化改進(jìn)并再次有限元分析很有必要。

2、優(yōu)化結(jié)構(gòu)并分析驗(yàn)證

圖5　優(yōu)化后的撥叉模型

保證裝配關(guān)系位置不變，操縱力不變。為了提高撥叉可靠性，減少型變量，同時(shí)考慮到此件為鑄件，注意鑄件特有的工藝性問(wèn)題，將其結(jié)構(gòu)優(yōu)化為圖5所示。

對(duì)改進(jìn)后的模型進(jìn)行計(jì)算分析，圖6和圖7分別為優(yōu)化后撥叉的應(yīng)力云圖和位移。

圖6　優(yōu)化模型的應(yīng)力云圖

圖7　變形位移量

通過(guò)圖6、圖7的結(jié)果所示，優(yōu)化后的撥叉最大應(yīng)力強(qiáng)度降低到約184MPa，最大變形位移量也下降到約1.5mm左右。

表1　優(yōu)化前后對(duì)比

從表1對(duì)比結(jié)果中可以看出，在受到相同載荷和使用工況下，優(yōu)化后的撥叉較優(yōu)化前狀態(tài)最大位移減少了75%，最大應(yīng)力點(diǎn)的值減少了50%。雖然質(zhì)量增加了62%，但最大位移量（即型變量）減少到1.5mm，最大應(yīng)力值下降到184Mpa，遠(yuǎn)小于撥叉屈服應(yīng)力835Mpa。使撥叉的抗疲勞能力大幅提高，在實(shí)現(xiàn)撥叉使用功能情況下，大幅提高了撥叉使用壽命，實(shí)現(xiàn)了撥叉優(yōu)化的最終目的。

3、總結(jié)

通過(guò)有限元分析可以設(shè)計(jì)出最科學(xué)的零部件結(jié)構(gòu)模型，也可以對(duì)現(xiàn)有的零部件進(jìn)行驗(yàn)證優(yōu)化。此減速機(jī)的撥叉通過(guò)優(yōu)化后已于2015年開(kāi)始使用，在機(jī)械靜壓傳動(dòng)箱中，能夠流暢換擋且效果顯著。

[1] 王文斌.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.4.

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[3] 濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2006.5.

[4] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].吉林:人民交通出版社,2006.

The Finite Element Analysis and Optimizationof The Shifting Forkfortraction vehicle

Yang Zhilong, Chen Long
(Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200)

In this paper, a gear shift fork for the research object, through the shift process in the strength and deformation of the performance of the finite element analysis, so as to design the most perfect reasonable structure. Finally, the simulation results show that optimized fork under the same conditions, the deformation is reduced by about 75%, the maximum stress decreases approximately 50%, the reducer shift smoothly, stability and service life are greatly enhanced, also still have to the overall layout of the structure is more compact.

shifting fork; speed reducer; finite element analysis

∶U463.51

∶A

∶1671-7988 (2016)09-135-02

楊志龍（1988—），男，助理工程師，就職于陜西重型汽車有限公司，從事零部件設(shè)計(jì)。