变速器换挡拨叉可靠性分析及优化

论文所属行业 汽车 变速器换挡拨叉变速器换挡拨叉可靠性可靠性分析分析及优化及优化 柯有恩 1 2 李凤琴1 2 马小英1 2 1 重庆长安汽车股份有限公司 动力研究院 重庆 401120 2 汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室 重庆 401120 摘要 应用 Abaqus 软件对某变速器五 七档换挡拨叉进行强度及平衡率分析 计算出最大 应力不满足疲劳强度要求 在不影响装配的基础上 优化变速器换挡拨叉的结构 降低了拨 叉的最大应力 缩短了产品开发时间 关键词 换挡拨叉 强度 平衡率 疲劳寿命 Reliability Analysis and Optimization of Gearbox Shifting Fork Ke You en LI Fengqin Ma Xiaoying 1 Chongqing Changan Automobile Co Ltd Powertrain R 2 State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology Abstract The strength and balance rate of 5 7 gear shift fork of the transmission were analyzed by using the software Abaqus and the results showed that the maximum stress does not meet the requirements of fatigue strength Without affecting assembly optimizing the structure of the gear shift fork of the transmission the maximum stress of the fork was declined and the time of development was shortened Key words gear shift fork strength balance rate fatigue life 0 引 言 换挡拨叉的作用是拨动同步器齿环 以实 现各前进档齿轮的结合与分离 达到切换档位的 目的 它是变速器中重要的零件 其可靠性直接 关系变速器能否正常工作 根据其受力特点 换 挡拨叉应具有较高的强度及弯曲刚度 避免分离 时拨叉弯曲变形过大甚至断裂 使变速器工作异 常 换挡拨叉受载后要求拨叉两个叉脚变形量保 持一致 以免因刚度不同导致的变形不协调 产 生卡滞现象 本文对某变速器五 七档换挡拨叉 进行可靠性分析 校核换挡拨叉强度及换挡拨叉 左右叉脚变形平衡率是否满足要求 1 有限元模型描述 1 1 仿真模型和材料参数 变速器换挡拨叉主要由驱动活塞 拨叉以及 拨叉轴三部分组成 拨叉材料为铝合金 拨叉轴 和驱动活塞材料为 45 钢 材料属性见表 1 收稿日期 2014 10 11 作者简介 柯有恩 1987 男 湖北黄冈人 硕士研究生 研究方向为动力总成 NVH E mail kyehello 图 1 换挡拨叉几何模型 表 1 零件材料参数 材料 牌号 弹性 模量 MPa 密度 kg m3 泊 松 比 疲劳 强度 MPa 抗拉强 度 MPa 45 钢 210 7850 0 28 265 600 YL117 70 2700 0 3 190 317 1 2 边界条件和载荷 该仿真模型采用二阶四面体单元 C3D10M 节点总数为 497895 有限元模型见图 2 所示 驱 动活塞与拨叉间 拨叉与拨叉轴之间的接触在 Hypermesh 里面建立两组接触对 其中驱动活塞 和拨叉轴作为主动件 拨叉作为从动件 五档和 七档时 驱动活塞与拨叉间的接触对应分别建立 考虑到拨叉轴可以在轴向活动 故约束轴向 的平动及转动 驱动活塞两端均约束 6 个自由度 拨叉在极限工况时 均布载荷 1200N 作用在两个 叉脚端面上 图 2 换挡拨叉有限元模型 2 计算结果及分析 将模型处理后提交至 Abaqus 软件进行计算 并查看换挡拨叉应力大小及位移分布 拨叉应力 云图见图 3 4 所示 拨叉的位移云图和叉脚平衡 率结果见图 5 6 及表 2 所示 图 3 五档工况下拨叉应力云图 图 4 七档工况下拨叉应力云图 图 5 五档工况下拨叉位移云图 驱动活塞 拨叉轴 拨叉 接触设置 拨叉与拨叉轴 约束 1 3 4 6 自由度 接触设置 活塞与拨叉 全约束 Max 181 1MPa Max 221 6MPa 图 6 七档工况下拨叉位移云图 表 2 拨叉叉脚平衡率 工况 位移 mm 平衡率 五档 左叉脚 1 53 92 右叉脚 1 655 七档 左叉脚 1 532 92 右叉脚 1 662 可以看出 换挡拨叉在 5 档时最大应力为 181 1MPa 7 档时最大应力为 221 6 MPa 超过 了 190 MPa 不满足疲劳强度要求 5 档和 7 档 时 换挡拨叉叉脚的平衡率均为 92 满足平衡 率要求 3 结构优化方案 对于不满足疲劳强度要求的换挡拨叉进行优 化 降低拨叉的最大应力 使应力分布更加均匀 避免局部区域应力集中过大 从而使拨叉满足强 度设计要求 3 1 优化后的结构变化 原拨叉图 7 中凹槽处圆角半径为 2mm 优化 后方案在凹槽处增加一些材料 如图 8 所示 图 7 优化前换挡拨叉结构 图 8 优化后换挡拨叉结构 3 2 优化后的计算结果 结构优化后的拨叉应力云图见图 9 10 所示 拨叉的位移云图和叉脚平衡率结果见图 11 12 及表 3 所示 YL117 材料 S N 曲线 Femfat 软件 所得 见图 13 所示 图 9 优化后五档工况下拨叉应力云图 图 10 优化后七档工况下拨叉应力云图 Max 146 7MPa Max 167 7MPa 图 11 优化后五档工况下拨叉位移云图 图 12 优化后七档工况下拨叉位移云图 表 3 优化后拨叉叉脚平衡率 工况 位移 mm 平衡率 五档 左叉脚 1 464 93 右叉脚 1 568 七档 左叉脚 1 464 93 右叉脚 1 575 图 13 YL117 S N 曲线 可以看出 优化后换挡拨叉在 5 档时最大应 力为 167 7MPa 7 档时最大应力为 146 7 MPa 最大应力对应的疲劳循环次数大于 1 0E7 次 满 足疲劳强度要求 5 档和 7 档时 换挡拨叉叉脚 的平衡率均为 93 满足平衡率要求 4 结束语 利用 Abaqus 软件对研发阶段的某变速器五 七档换挡拨叉进行可靠性分析 评估其强度和平 衡率 对不满足疲劳强度要求的结构进行优化分 析 使优化后的结构满足强度要求 避免在后期 中出现强度断裂的问题