變速器中倒檔導(dǎo)塊輕量化改進(jìn)

趙程程 張波

摘 要：隨著重型汽車(chē)行業(yè)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，整車(chē)對(duì)輕量化需求也越來(lái)越高。順應(yīng)市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，文章對(duì)變速器中倒擋導(dǎo)塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，同時(shí)材料由8620H更改為20CrMnTi。改進(jìn)結(jié)構(gòu)通過(guò)三維仿真模擬應(yīng)用場(chǎng)景測(cè)試驗(yàn)證及應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算驗(yàn)證，滿(mǎn)足了零件輕量化的要求。

關(guān)鍵詞：倒檔導(dǎo)塊;20CrMnTi;改進(jìn)措施及結(jié)果分析

0 前言

隨著重型汽車(chē)行業(yè)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈化，主機(jī)廠對(duì)變速器的輕量化，也越來(lái)越高。順應(yīng)市場(chǎng)及公司對(duì)變速器的輕量化的要求，本設(shè)計(jì)針對(duì)變速器上蓋中的倒檔導(dǎo)塊結(jié)構(gòu)及材料，對(duì)導(dǎo)塊結(jié)構(gòu)外形改進(jìn)、更改材料，減小了質(zhì)量、同時(shí)達(dá)到節(jié)約成本的目的。

1 導(dǎo)塊作用

1.1 導(dǎo)塊位置

倒檔導(dǎo)塊位于變速器上方上蓋總成內(nèi)部，如圖1所示。

在變速器實(shí)現(xiàn)換擋中，倒檔導(dǎo)塊的作用是將操縱裝置中選檔撥頭的力傳遞給倒檔撥叉軸上，倒檔撥叉軸帶動(dòng)倒檔撥叉，既而實(shí)現(xiàn)換擋的效果，如圖2所示。

1.2 導(dǎo)塊材料屬性

本文中所用材料基本力學(xué)性能如表1所示，8620H和20CrMnTi的機(jī)械性能由材料手冊(cè)查得。

導(dǎo)塊在實(shí)現(xiàn)換擋過(guò)程中倒檔導(dǎo)塊大概受力只有300 N～400 N，根據(jù)靜強(qiáng)度安全系數(shù)評(píng)價(jià)方法計(jì)算，對(duì)倒檔導(dǎo)塊進(jìn)行加載。

倒檔導(dǎo)塊同撥叉軸連接孔的兩端全約束，螺塞同導(dǎo)塊之間Tie連接。如圖3所示。

分兩個(gè)工況，撥頭撥動(dòng)導(dǎo)塊掛擋的掛擋力為Z軸正方向時(shí)為工況一，此時(shí)在加載點(diǎn)1加力，撥頭撥動(dòng)導(dǎo)塊的掛擋力為Z軸負(fù)方向時(shí)為工況二，此時(shí)在加載點(diǎn)2（加載點(diǎn)1的對(duì)稱(chēng)面）加力。

工況一分三個(gè)載荷工況，掛擋力300 N、400 N、500 N;

工況二分三個(gè)載荷工況，掛擋力-300 N、-400 N、-500 N。

導(dǎo)塊受到交變應(yīng)力，需要用疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。

根據(jù)靜強(qiáng)度安全系數(shù)評(píng)價(jià)方法[1]：

其中，為工作疲勞安全系數(shù)，為危險(xiǎn)點(diǎn)的工作應(yīng)力，為材料的許用疲勞極限。

對(duì)于合金結(jié)構(gòu)鋼，，其中為屈服極限，為抗拉強(qiáng)度[1]。

對(duì)于8620H，對(duì)照表2的=476.6 MPa。繼續(xù)計(jì)算得到的最小工作疲勞安全系數(shù)18.42也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于安全值1.2。

2 改進(jìn)措施

根據(jù)以上分析，說(shuō)明在導(dǎo)塊在使用過(guò)程還存在的很大安全區(qū)間。對(duì)此通過(guò)節(jié)省材料、減小導(dǎo)塊重量，來(lái)改變倒檔導(dǎo)塊的結(jié)構(gòu)。同時(shí)對(duì)改后的導(dǎo)塊的不同材料試著進(jìn)行了分析，將原來(lái)的8620H更改為更加便宜的20CrMnTi，圖4和圖5分別為改前和改后的倒檔導(dǎo)塊結(jié)構(gòu)三維圖。

由材料手冊(cè)查得8620H和20CrMnTi的機(jī)械性能。同樣對(duì)應(yīng)力及疲勞安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)如表3-1所示，應(yīng)力單位為MPa。

根據(jù)表2-1材料性能數(shù)據(jù)：

對(duì)于20CrMnTi，=517.1 MPa;求得各工況的疲勞安全系數(shù)如表3所示。

各載荷工況應(yīng)力云圖類(lèi)似，本文列出500 N和-500 N載荷工況的應(yīng)力云圖分別如圖6和圖7所示。

從計(jì)算結(jié)果可看出：

應(yīng)力集中區(qū)域位于導(dǎo)塊同撥頭接觸面的根部圓角處（云圖中的紅圈區(qū)域），改進(jìn)后導(dǎo)塊最大應(yīng)力點(diǎn)位于圖中A點(diǎn)。

隨著受到的掛擋力增大，導(dǎo)塊最大應(yīng)力增大，安全系數(shù)降低。

相同載荷工況下兩種材料計(jì)算出來(lái)的應(yīng)力結(jié)果基本一致，這說(shuō)明在分析所用的掛擋力作用下，兩種材料導(dǎo)塊的變形都只發(fā)生在彈性階段。

改進(jìn)前和改進(jìn)后的導(dǎo)塊的疲勞安全系數(shù)均大于1.2，滿(mǎn)足靜強(qiáng)度下疲勞壽命的要求。

雖然改進(jìn)后疲勞安全系數(shù)有所減小，但由于導(dǎo)塊本身安全系數(shù)就很大，改進(jìn)后最小也達(dá)到了9.82，完全滿(mǎn)足大于1.2的要求。

3 總結(jié)

文對(duì)改變了結(jié)構(gòu)和材料的倒檔導(dǎo)塊進(jìn)行了強(qiáng)度分析，與原結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比，分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)和材料改進(jìn)滿(mǎn)足疲勞強(qiáng)度要求，導(dǎo)塊質(zhì)量由原來(lái)的0.615 kg，減小至0.404 kg，質(zhì)量減小了三分之一，同時(shí)20CrMnTi相比與8620H的價(jià)格更加便宜，達(dá)到了輕量化設(shè)計(jì)的目的、同時(shí)減低了成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫恒，傅則紹.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，1989.