某變速器換擋撥叉方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)

彭幫亮，余春祥，楊先時(shí)

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某變速器換擋撥叉方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)

彭幫亮，余春祥，楊先時(shí)

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章首先介紹了某變速器換擋撥叉系統(tǒng)在開發(fā)驗(yàn)證過程中存在的失效問題，重點(diǎn)闡述了利用CAE仿真技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證，縮短了試驗(yàn)問題解決的時(shí)間成本。同時(shí)，梳理歸納分析流程方法，為其他零部件失效問題的分析解決提供有益參考。

變速器；換擋撥叉；CAE技術(shù)；疲勞仿真；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 問題背景

在開發(fā)某變速器項(xiàng)目中，需對換擋撥叉總成開展單體疲勞耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置及要求如下所示：

圖1 試驗(yàn)工裝示意圖及實(shí)物照片

試驗(yàn)過程描述：將撥叉安裝在專用試驗(yàn)工裝上（工裝示意圖詳見上圖），使驅(qū)動(dòng)活塞推動(dòng)撥叉移動(dòng)，在兩檔位之間交替換擋，同步器換擋行程控制在911mm之間。

換檔力及試驗(yàn)循環(huán)控制：本文主要描述該變速器的 1/3檔換擋撥叉總成，其試驗(yàn)過程中的換檔力及循環(huán)控制如下表所示：

表1 換檔力及循環(huán)控制表

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求：1/3檔換擋撥叉總成按上表1加載試驗(yàn)完成后，需滿足下述條件：

①直線軸承不允許存在損壞和鋼球脫落現(xiàn)象；

②焊接部位不允許存在焊點(diǎn)撕裂現(xiàn)象；

③撥叉不允許存在斷裂現(xiàn)象；

在試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)過程完全符合試驗(yàn)大綱要求的情況下，疲勞試驗(yàn)進(jìn)行到第4循環(huán)過程中，1/3檔換擋撥叉樣件出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象，如下圖2所示：

2 原因分析

2.1 樣件質(zhì)量分析

2.1.1 外觀尺寸檢查

失效樣件表面經(jīng)防銹處理，總成表面無銹蝕。

樣件邊緣無飛邊毛刺，表面無影響零件質(zhì)量的裂紋。

樣件所有精沖、折彎成型、焊接及機(jī)加工尺寸經(jīng)檢測，符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

撥叉軸與撥叉之間焊縫≤0.3mm，無焊透及漏焊現(xiàn)象。

樣件直線軸承可以自由滾動(dòng)。

2.1.2 材料檢測

失效樣件經(jīng)光譜分析，撥叉軸材料為 27MnCrB5-2 EN10083-3，撥叉材料為QSTE500TM Q/BQB 310，符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

材料化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.1.3 熱處理檢測

撥叉軸上定位銷定位輪廓的熱處理工藝為高頻淬火，其表面硬度經(jīng)硬度計(jì)檢測滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，硬度測試數(shù)值在440HV670HV范圍內(nèi)。

淬火硬度透深度Rht80%＞1mm，符合DIN 50190標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.1.4 力學(xué)性能檢測

由供應(yīng)商提供撥叉軸及撥叉標(biāo)準(zhǔn)材料試棒，開展材料的拉伸試驗(yàn)。檢測結(jié)果顯示，材料 27MnCrB5-2的屈服極限≥350MPa，抗拉極限≥510MPa，延伸率≥30%；材料QSTE500TM的屈服極限≥500MPa，抗拉極限≥550MPa，延伸率≥12%。

兩種材料的力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求。

2.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

為考察零件方案的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，開展對方案的FEA分析。

圖3 換擋撥叉強(qiáng)度分析邊界條件及加載示意

在Hyperworks軟件中對模型劃分大小為2mm的網(wǎng)格，局部細(xì)化，單元類型選取二階修正單元C3D10M，單元總體規(guī)模約為21萬。模型主要包含撥叉軸、撥叉和同步器齒套。

撥叉軸與撥叉之間的焊接關(guān)系用tie連接代替，齒套與撥叉之間建立接觸關(guān)系contact，直線軸承及頂端約束利用相應(yīng)的邊界條件進(jìn)行模擬限制。1/3檔換擋撥叉的極限換檔力定義為1200N，通過同步器齒套施加在換擋撥叉上。模型的邊界條件及加載示意如下圖3所示。

模型中，同步器齒套視為剛性體，撥叉軸和撥叉的彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。分析過程考慮兩種材料的非線性，二者的應(yīng)力應(yīng)變曲線如下圖4所示。

圖4 撥叉軸和撥叉材料應(yīng)力應(yīng)變曲線

分析結(jié)果顯示，撥叉軸和撥叉上存在三處超出或接近材料屈服極限的應(yīng)力集中區(qū)域。其中區(qū)域③與樣件斷裂失效位置吻合，據(jù)此判定方案本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求是導(dǎo)致樣件斷裂失效的主要原因。

對于方案的優(yōu)化應(yīng)著重考慮優(yōu)化圖5所示的應(yīng)力集中區(qū)域，改善方案整體的應(yīng)力分布，以期得到較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

圖5 換擋撥叉強(qiáng)度分析結(jié)果

3 方案優(yōu)化

基于上述強(qiáng)度校核結(jié)果，在統(tǒng)籌考慮成型工藝及布置空間的前提下，開展對失效樣件方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，如下圖6所示。

圖6 換擋撥叉優(yōu)化示意（綠色部分為優(yōu)化方案）

主要優(yōu)化區(qū)域?yàn)樯鲜鰣D5指示的應(yīng)力集中區(qū)域，同時(shí)對部分焊接工藝區(qū)域進(jìn)行了工藝優(yōu)化，改善方案整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

4 仿真驗(yàn)證

為降低設(shè)計(jì)方案存在的失效風(fēng)險(xiǎn)，針對優(yōu)化后1/3檔換擋撥叉方案開展下述CAE仿真驗(yàn)證，為方案凍結(jié)提供較為詳實(shí)的理論參考。

4.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

按上述2.2章方法流程對優(yōu)化后方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度校核，考察重點(diǎn)優(yōu)化區(qū)域的應(yīng)力分布狀態(tài)。

圖7 優(yōu)化后方案靜強(qiáng)度分析結(jié)果

如上圖7所示，優(yōu)化后方案的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析結(jié)果中，四處重點(diǎn)優(yōu)化關(guān)注區(qū)域的應(yīng)力集中值均大幅降低，低于材料的屈服極限，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 軸向變形分析

基于2.2章中的單元模型及邊界條件，對叉腳兩端分別施加均布載荷600N，考察優(yōu)化方案兩叉腳的軸向變形量。

圖8 優(yōu)化后方案軸向變形分析結(jié)果

如上圖8所示，優(yōu)化后方案左右叉腳的軸向變形量分別為1.21mm和1.27mm，小于2mm的經(jīng)驗(yàn)限值。兩叉腳軸向變形量差值為0.06mm，也小于0.3mm的經(jīng)驗(yàn)限值，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 抗沖擊分析

基于2.2章中的單元模型及邊界條件，對同步器齒套施加 1140N的軸向沖擊載荷，時(shí)間歷程為 0.2s，模型行程為10mm，考察優(yōu)化方案模型在極限沖擊載荷下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度表現(xiàn)。

圖9 優(yōu)化后方案抗沖擊分析結(jié)果

如上圖9所示，優(yōu)化后方案在極限沖擊載荷工況下，應(yīng)力集中數(shù)值遠(yuǎn)低于材料的力學(xué)性能極限，撥叉軸向變形值約為1.13mm，低于經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.4 疲勞壽命分析

按照表1中的換檔力和循環(huán)控制及2.2章的單元模型和邊界條件，利用Abaqus和FEMFAT軟件對優(yōu)化方案開展低周疲勞損傷計(jì)算，系統(tǒng)校核方案的疲勞壽命。

圖10 優(yōu)化后方案疲勞壽命分析結(jié)果

通過計(jì)算得到優(yōu)化方案的總損傷值S=0.0965，疲勞壽命系數(shù)L=1/S=10.36，遠(yuǎn)高于安全系數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值3，滿足設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)上述優(yōu)化設(shè)計(jì)及CAE仿真驗(yàn)證后，按照優(yōu)化方案開展樣件制造及單體疲勞耐久試驗(yàn)，連續(xù)三套樣件均順利通過試驗(yàn)驗(yàn)證，失效問題得到有效解決。

5 結(jié)論

本文闡述了在換擋撥叉方案失效問題解決過程中，CAE仿真技術(shù)的詳細(xì)應(yīng)用及指導(dǎo)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。通過仿真技術(shù)的科學(xué)全面應(yīng)用，有效探尋方案的合理優(yōu)化途徑，極大的縮短了方案優(yōu)化和問題解決的時(shí)間成本。同時(shí)，結(jié)合樣件的試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，對仿真模型和流程方法進(jìn)行不斷標(biāo)定和優(yōu)化，補(bǔ)充完善仿真結(jié)果的可靠性。

本文的方案優(yōu)化方法也為變速器中其他零部件的失效問題分析提供了有益參考。

[1] 洪清泉.OptiStruct&HyperStudy理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用.[J]機(jī)械工業(yè)出版社.

[2] 江丙云.ABAQUS工程實(shí)例詳解,[M]人民郵電出版社.

[3] 【德】Harald Naunheimer ,汽車變速器理論基礎(chǔ)、選擇、設(shè)計(jì)與應(yīng)用.[M]機(jī)械工業(yè)出版社.

[4] 石亦平.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解.[M]機(jī)械工業(yè)出版社.

[5] 姚衛(wèi)星.結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析.[M]國防工業(yè)出版社.

Optimal design of the shift fork plan for a transmission

Peng Bangliang, Yu Chunxiang, Yang Xianshi
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

The article firstly introduces a certain transmission shift fork system problems of failure in the process of development and validation, and expounds the use of CAE simulation technology implementation scheme optimization design and simulation, shorten the test time cost of problem solving. At the same time, this paper analyzes the process method and provides useful reference for the analysis of the failure of other parts.

transmissions; Shift fork; CAE technology; Fatigue simulation; The optimization design

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-174-03

U462.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)12-174-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.058

彭幫亮（1986-），男，CAE分析工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，從事于DCT變速器CAE仿真分析業(yè)務(wù)。