拖拉机变速箱拨叉的拓扑优化研究

王绍清+李林海

摘 要：拨叉是变速器结构中重要的承载部件。本文利用有限元分析软件对变速箱拨叉进行了结构分析，得到了变速箱拨叉在静力作用下的位移分布云图和应力分布云图。分析结果表明，该变速箱拨叉强度存在较大富裕，具有轻量化的优化空间。利用solidThinking Inspire工具建立了变速箱拨叉的拓扑空间，进行了工况载荷的定义，得到了拨叉在静力作用下的整个拓扑概念模型，经过优化后的变速箱拨叉满足刚度、强度的要求，大大节约了工程材料，为设计提供了有价值的理论依据。

关键词：拨叉 solidThinking Inspire 概念模型 拓扑

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）08（b）-0000-00

1引言

拨叉[1]应用于拖拉机的变速箱的换挡机构中。作为变速器的重要部件，拨叉不仅要有足够的刚度、强度，还要有良好的可靠性。本文利用UG[2]建立了拨叉的三维模型，利用有限元软件[3，4]对拨叉进行了强度分析。利用solidThinking Inspire[5]工具建立了变速箱拨叉的拓扑空间，得到整个拓扑概念模型，大大节约了工程材料，为设计提供了有价值的理论依据。

2 变速箱拨叉强度分析

在UG中按设计图纸尺寸对拨叉进行了简化的三维建模，利用UG与ANSYS软件的接口将所建立的拨叉三维模型导入ANSYS软件中。

变速器拨叉的材料选用铸钢ZG310-570，屈服强度310MPa，抗拉强度570MPa，弹性模量为E=206Gpa，泊松比为0.3，对三维模型进行网格划分。 由于拨叉一端绕轴旋转；拨叉两侧往复与齿轮面接触受力，所以在有限元软件中采用孔固定约束。拨叉叉爪两侧所承受的最大载荷为7KN，加载与拨叉爪两侧面上，方向为侧面的垂直方向。

对变速箱有限元模型进行求解，得到变速箱拨叉的位移分布云图和应力分布云图，如图1和图2所示。

有静力分析结果可知，变速箱拨叉最大形变发生在两个拨爪处，其大小为0.05957mm，满足设计要求。最大应力发生在两个拨爪与基体的连接处，大小为106.798MPa，在铸钢的强度范围之内，满足设计要求。所以变速箱拨叉强度存在较大富裕，具有轻量化的优化空间。

3 变速器拨叉的拓扑优化

将模型导入SolidThinking Inspire中。将中间部分定义为变速箱拨叉的设计空间，根据变速箱拨叉的实际工况，对孔进行固定约束，定义相应的载荷，将形状约束设置为单向拔模对称约束。

对模型进行解算，解算后的模型如图3所示。

将SolidThinking Inspire优化后的概念雏形保存为stl文件，将其作为重建模型的参考。结合零件制造的工艺性要求，将stl文件导入到CAD软件中进行重建，图4为重建的变速箱拨叉模型的高清渲染图。

该结果表明新设计的变速器拨叉不但满足性能要求，而且质量减少了20%，实现模型优化与工艺性的统一。该优化设计方法达到了降低零件制造成本的目的。

4 总结

（1）本文利用ANSYS得到了变速箱拨叉在静力作用下的位移分布云图和应力分布云图。结果表明变速箱拨叉强度存在较大富裕（2）利用solidThinking Inspire软件在静强度下对变速箱拨叉进行了结构拓扑优化。通过优化使变速箱拨叉材料达到一个最优化的分布，在满足给定刚度和强度条件下使拨叉的用料最少，节省了大量工程材料。

参考文献c

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[5] 张克鹏，仇虎山，邓超. solidThinking Inspire在汽车板簧支架中的应用 [J].汽车工程师，2013，10：24-26.