基于ABAQUS的变速器换挡拨叉强度分析及结构改进

2017 SIMULIA 中国区用户大会 1 基于基于 ABAQUS 的变速器换挡拨叉的变速器换挡拨叉强度强度分析及结构改进分析及结构改进 李俊楼 康一坡 中国第一汽车集团有限公司研发总院 长春 130000 摘要摘要 采用ABAQUS软件对某重型变速器5 6挡换挡拨叉进行有限元计算分析 计算出拨 叉疲劳强度不满足设计要求 给出了两种改进设计方案 降低了拨叉最大应力 两种改进 方案疲劳强度均有显著提高 达到设计目标要求 为设计改进提供参考依据 关键词关键词 变速器 换挡拨叉 疲劳强度 1 简介简介 变速器换挡拨叉作为汽车变速系统中的重要零部件之一 是保证变速器挡位清晰 换 挡平顺的重要组件 拨叉结构性能的好坏 直接影响汽车传动系统的整体性能甚至整车的 安全 ABAQUS作为一款以 国际上最先进的大型非线性有限元分析软件 著称的商业软 件 其非线性求解能力十分强大 在对拨叉设计方案的强度校核方面 采用ABAQUS有限 元进行计算分析 既可快速校核设计方案 又能大大缩短开发周期 降低开发成本 本文针对某重型变速器5 6挡换挡拨叉 采用有限元计算分析方法 疲劳强度分析方 法 对换挡拨叉进行强度计算分析 初始设计方案疲劳强度未能满足设计目标要求 根据 危险点位置受力特点 提出两种改进的拨叉结构进行计算分析 为结构设计提供参考 2 几何结构几何结构 换挡拨叉机构三维 CAD 模型如图 1 所示 主要包含拨块 拨叉轴 拨叉 齿套等零 件 作用在拨块上的换挡力带动拨叉轴 拨叉运动 在图 1 中 当向左拨动拨块时 拨叉 左侧与齿套接触 齿套与 6 挡齿轮结合实现 6 挡传动 反方向则实现 5 挡传动 图图 1 5 6 挡换挡拨叉装配图挡换挡拨叉装配图 2 2017 SIMULIA 中国区用户大会 3 强度计算分析强度计算分析 换挡拨叉强度有限元计算分析模型的网格划分 边界约束 载荷加载等过程使用 Hypermesh 软件进行 计算求解使用 ABAQUS standard 软件 后处理在 ABAQUS CAE 中 进行 3 1 网格划分网格划分 根据已有的CAD模型 建立换挡拨叉的有限元模型 网格基础尺寸采用2mm 单元类 型选择修正的二阶四面体单元C3D10M 在接触问题中这种单元表现强劲 可以将剪切闭 锁和体积闭锁最小化 并且一致的接触压力可以使这些单元精确的模拟接触问题 拨叉与 拨叉轴 拨块与拨叉轴的固定销处采用rbe2刚性单元进行耦合处理 建立刚性单元选择rbe2 单元从点时应避免选择存在接触单元的节点 网格划分后单元数量为19万个 节点数为31 万个 建立的有限元模型如图2所示 图图 2 换挡拨叉有限元模型换挡拨叉有限元模型 3 2 材料属性材料属性 主要零部件材料及属性见表 1 所示 表表 1 主要零部件材料属性主要零部件材料属性 零件 弹性模量 MPa 泊松比 屈服极限 MPa 拨叉 210000 0 3 700 其他 210000 0 3 3 3 边界条件边界条件 3 3 1 计算载荷计算载荷 本文中拨叉有限元计算所需载荷输入条件详细获得方法如图 3 所示 通过对载荷谱一 系列处理获得最大载荷幅值和对应疲劳循环次数的强度计算载荷 2017 SIMULIA 中国区用户大会 3 图图 3 有限元计算载荷获得方法有限元计算载荷获得方法 3 3 2 约束条件约束条件 定义约束条件时 按拨叉轴在变速器壳体中的支撑位置 建立刚性单元 并约束刚性 单元的主点 1 2 6 自由度 然后以齿套中心点为主点 以齿套内圈花键表面节点为从点 建立 rbe2 刚性单元并约束刚性单元主点的所有自由度 约束方式如图 4 所示 图图 4 约束方式约束方式 3 4 计算结果分析计算结果分析 根据以上的有限元模型 材料参数和边界条件等 利用 ABAQUS standard 计算得到拨 叉的应力分布结果 图 5 分别给出了 5 挡工况拨叉 Mises 应力分布及 6 挡工况最大主应力 分布情况 4 2017 SIMULIA 中国区用户大会 图图 5 拨叉应力分布云图拨叉应力分布云图 表表 2 拨叉应力计算结果拨叉应力计算结果 工况 最大应力 MPa 5 挡 543 6 挡 636 由应力计算结果可知 5 挡 6 挡时最大应力分别为 543MPa 636MPa 二者均出现在 拨叉防松铁丝孔结构根部 两个挡位对应的最大应力值均小于材料屈服强度 静强度满足 设计要求 3 5 疲劳强度计算分析疲劳强度计算分析 材料的 S N 曲线和疲劳极限 只能代表标准光滑试样的疲劳特性 拨叉零件的实际形 状 尺寸以及表面状况与标准试样存在很大区别 因此在确定拨叉零件的 S N 曲线时 必 须对影响拨叉疲劳强度的诸多因素 应力梯度 平均应力修正等 加以考虑 本文计算 5 挡 6 挡工况下的拨叉疲劳强度 基于修正的 S N 曲线获得换挡拨叉疲劳安全系数分布如 图 6 所示 图图 6 拨叉疲劳安全系数分布云图拨叉疲劳安全系数分布云图 由图 6 可知 疲劳安全系数最小值 1 23 不能满足疲劳强度设计要求 2017 SIMULIA 中国区用户大会 5 4 结构改进及验证结构改进及验证 根据应力分布特点 提出两种结构改进建议 方案一是改变造成应力集中的防松铁丝 孔结构位置 直接避免应力集中现象的发生 方案二是将铁丝孔结构根部倒圆角尺寸增 大 并在背面增加一条加强筋 两种改进方案结构与原始结构的对比参考图 7 所示 图图 7 拨叉结构改进方案对比拨叉结构改进方案对比 对两种改进方案分别进行相同工况条件下的疲劳强度计算 计算结果见表 3 所示 表表 3 结构改进后疲劳强度计算结果结构改进后疲劳强度计算结果 设计方案 5 挡工况 6 挡工况 疲劳工况 最大应力 MPa 最大应力 MPa 最小疲劳安全系数 原始方案 543 636 1 23 改进方案一 210 247 2 88 改进方案二 338 329 1 78 图图 8 换挡拨叉两种改进结构疲劳安全系数分布云图换挡拨叉两种改进结构疲劳安全系数分布云图 6 2017 SIMULIA 中国区用户大会 表 4 及图 8 计算结果表明 两种拨叉改进方案的疲劳强度均有大幅度提高 疲劳安全 系数均大于设计目标要求 方案一改进效果最佳 方案二次之 从疲劳强度性能方面考 虑 推荐选用方案一 但从零件加工成本方面考虑 改进方案二的拨叉零件加工可以在原 有模具基础上进行少量改动而实现 因此建议采用改进方案二进行换挡拨叉的试制及试 验 5 小结小结 本文利用 ABAQUS 软件对某重型变速器 5 6 挡换挡拨叉进行了强度计算分析 详细 介绍了换挡拨叉网格处理 约束方式 载荷加载的方法 针对初始设计方案疲劳强度不足 的计算结果 提出了两种改进方案 改进后拨叉疲劳强度显著提高 两种改进方式为设计 工程师进行结构优化明确了