基于ABAQUS/FEMFAT的同步环组件疲劳寿命分析

秦玉林，祝林，汤天宝，罗大国，陈勇，王瑞平,2（.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江 宁波 35336；2.浙江吉利罗佑发动机有限公司，浙江 宁波 35800）

基于ABAQUS/FEMFAT的同步环组件疲劳寿命分析

秦玉林1，祝林1，汤天宝1，罗大国1，陈勇1，王瑞平1,2
（1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江 宁波 315336；2.浙江吉利罗佑发动机有限公司，浙江 宁波 315800）

摘 要：变速器同步环组件是锁环式同步器系统的重要组成部分，锁环式同步器系统的失效模式主要为同步环的断裂，而引起同步环断裂的主要原因是冲击引起的疲劳破坏。针对此问题，采用ABAQUS显式动态分析来模拟同步过程中同步环的冲击情况，并采用FEMFAT软件以强度分析结果为输入，进行同步环疲劳寿命分析。通过此分析，在同步器设计初期进行疲劳耐久预测，为结构设计提供指导。

关键词：变速器；同步环；冲击；疲劳破坏

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.10.015

CLC NO.: U463.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)10-35-03

引言

ABAQUS是功能强大的有限元软件，可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，模拟非常庞大复杂的模型，处理高度非线性问题。ABAQUS/Explicit可以进行显式动态分析，它适用于求解复杂非线性动力学问题和准静态问题，特别是用于模拟短暂、瞬时的动态事件，如冲击和爆炸问题[1]。本文亦采用显式动态分析方法进行同步环组件冲击强度分析。

FEMFAT（Finite Element Method and Fatigue）是一套基于有限元分析结果的能够对静态和动态载荷加载的零部件疲劳分析软件。这种把有限元结果作为分析输入的方法可以被分类为“B方法”，也就是说它们是基于试验、理论研究、模型试验和耐久经验的方法。本文亦采用此软件，以强度分析结果为输入进行同步环组件疲劳寿命分析。

目前广泛采用的同步器是惯性式同步器，它有锁环式和锁销式等形式。轿车变速器由于转动惯量小，主要以锁环式同步器为主[2]。锁环式同步器其主要通过同步环锥面的摩擦来实现转速的同步，使整个换挡过程平顺完成。本文以某变速器双锥同步环为例，分析同步过程中同步环组件的疲劳寿命情况，为前期结构设计提供指导，确保其满足设计要求。

1、强度分析

1.1 分析模型

在进行CAE分析过程中，前处理花费的时间占整个分析的60%以上，因此想要提高工程师的工作效率则必须选择有效便捷的前处理软件[3]。前处理过程包括：几何处理、网格划分、约束载荷施加和输出参数设置。本文中的分析采用Pro/e软件进行几何建模，将.asm格式的几何模型导入ABAQUS软件进行前处理。

为了获得较准确的分析结果，同步环组件采用二阶四面体（C3D10I）及一阶六面体（C3D8I）混合建模，为了保证计算精度及计算效率，根据经验对应力不集中的地方采用较为稀疏的网格进行划分，对应力集中位置采用较细密的网格进行划分，对某些小倒角进行简化处理，避免产生过小尺寸单元。图1所示为同步环组件的网格模型，模型中包含外环、中环、内环、碳层及结合齿6个零部件。

1.2 材料参数

在ABAQUS软件中定义材料参数、建立结构属性和赋予结构属性，各零部件的材料参数如下表1所示。

表1　零部件材料表

1.3 载荷计算

同步环分析过程中，载荷计算如下：

a）内、外环与中环摩擦力矩M1 = F·μα·R/tanα

F—作用于同步环外环的轴向力

R—锥面平均半径

μα—摩擦锥面间的摩擦系数

α—锥面角

b）拨环力矩M 2= F·Rs·(1- μβ·tanβ)/( μβ+tanβ)

F—作用于同步环外环的轴向力

Rs—同步环外环花键分度圆半径

μβ—锁止面摩擦系数

β—锁止角

c）内环与齿轮摩擦力矩M 3 = F·μ·Ra

F—作用于同步环外环的轴向力

Ra—同步环内环侧面平均半径

μ—接触面摩擦系数

分析过程中，有两个输入力矩和两个输出力矩，其中内环与齿轮摩擦力矩M3，结合齿内侧面扭矩M1—M3，外环齿侧扭矩M2，外环凸台扭矩M1—M2。

1.4 边界条件与载荷施加

为了较为真实的模拟换挡过程中同步环受到的扭转及冲击情况，将整个分析过程分为两步进行，第一步为在外环施加轴向推力来模拟拨叉的拨环力，第二步保持轴向推力的同时在结合齿、内环、外环上分别施加扭矩，同步环组件的边界条件及载荷的加载情况，如图2、图3所示。

1.5 分析结果

将建立的有限元模型，导入ABAQUS中进行强度计算，获得同步环组件在换挡过程中的强度结果。图4、图5、图6分别为外、中、内环的应力分布云图，从图中可以看出同步环组件的最大应力出现在中环卡爪倒角及外环齿根处，由于中环厚度较小，因此此处易出现疲劳破坏，下面只对中环进行疲劳分析。

2、疲劳分析

2.1 材料S-N曲线

表示应力幅或最大应力与疲劳寿命之间关系的曲线称为S-N曲线，S-N曲线在直角坐标系中是一条双曲类型的曲线，其表达式为：NSm=C，其中m和C均为材料常数[4]。本文分析的S-N曲线是通过在FEMFAT软件中输入材料杨氏模量、泊松比、抗拉强度，屈服强度等参数而获得。

2.2 分析参数

分析参数对同步器组件疲劳寿命的影响极大，同步环疲劳参数如表2所示，将疲劳参数输入FEMFAT软件中作为结构的固有特性。

表2　疲劳参数表

2.3 分析结果

疲劳分析结果如图7所示，从图中可以看出，小疲劳循环次数主要集中在卡爪根部，最容易发生疲劳破坏处的疲劳寿命为322170次。

3、试验对比及总结

经过疲劳耐久台架试验后，同步器中环出现断裂，其断裂情况如图8所示，断裂位置与仿真结果基本吻合。

文章以某变速器同步环组件为研究对象，采用有限元软件ABAQUS/Explicit进行显式动态分析，重点模拟换挡过程中同步环的冲击过程，将分析结果导入FEMFAT软件进行疲劳寿命计算，获得同步环组件最小疲劳寿命为322170次。通过此分析，可以在同步器设计初期进行疲劳耐久预测，减少设计时间，缩短研发周期，降低研发成本。

参考文献

[1] 石亦平,周玉荣. ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京: 机械工业出版社, 2006.

[2] 蔡兴旺,付晓光. 汽车构造与原理[M].北京: 机械工业出版社, 2009.

[3] 于开平, 周传月, 谭惠丰等. HyperMesh从入门到精通[M]. 北京:科学出版社, 2005.

[4] 杨庆乐. 基于ANSYS/FE-SAFE的强夯机臂架疲劳寿命分析 [D].大连: 大连理工大学机械工程学院, 2005.

Analysis of Fatigue Life for the Synchronizer Rings Based on ABAQUS/FEMFAT

Qin Yulin1, Zhu Lin1, Tang Tianbao1, Luo Daguo1, Chen Yong1, Wang Ruiping1,2
（1.Ningbo Geely Royal Engine Components Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315336; 2.Zhejiang Geely Royal Engine Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315800）

Abstract:The transmission synchronizer rings is an important part of the lock ring synchronizer system. And the main failure pattern of lock ring synchronizer system is synchronous ring’s rupture, which is mainly caused by the impact. ABAQUS explicit dynamic analysis is carried out to simulate the impact of synchronous ring during synchronization process regarding this problem. Then input the strength calculation result to FEMFAT software to simulate synchronizer rings fatigue life .Through this analysis, the fatigue property was predicted at the early stage of synchronizer design and the structure design is well guided.

Keywords:Transmission; Synchronizer Rings; Impact; Fatigue Damage

作者简介：秦玉林，就职于宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司。

中图分类号：U463.5

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2015)10-35-03