基于ANSYS的变速器拨叉强度仿真及优化

2018-06-28

佳木斯大学学报（自然科学版） 2018年3期

(西安航空学院汽车检测工程技术研究中心,陕西西安 710077)

0 引言

汽车变速箱传动机构中的换挡拨叉作为汽车换挡结构最重要的一部分，它的性能优劣，始终让设计师和驾驶员十分重视[1]。近年来传动机构性能指标也在逐渐上升，而传动机构中最关键的变速器拨叉，它的强度优劣在很大程度上影响着变速器的正常运转，影响传动机构的安全性和持久性[2]。实际中因变速器拨叉的强度不够发生了断裂等事故，严重影响换挡的平顺性和安全性，而变速器的失效使车内乘员的安全面临很大的威胁[3]，故以某微型车上的变速器拨叉为研究对象，对其进行强度分析并优化，并对优化方案进行分析，最后得到变速器拨叉强度上的最佳设计。研究的技术路线如图1所示，研究的变速器拨叉实物如图2所示。

1 建模与仿真

1.1 建模

经过对拨叉的参数测量后使用三维建模软件CATIA对该实物进行三维建模，所用相关功能特征包括：草图、拉伸、挖槽、参考点、参考线、参考面、倒圆角、倒直角等，首先建立脚叉及拨叉轴两个零部件，然后使用装配模块将脚叉固定后导入拨叉轴，然后装配成型。建好的三维模型如图3所示。

图1 拟采用的技术路线

图2 拨叉实物图

图3 变速器拨叉的三维模型

图4 拨叉的网格图

图5 拨叉应力云图

1.2 有限元分析

(1)创建或导入几何模型，使用CATIA建立的拨叉模型，故在CATIA中保存的时候选择“stp”格式。导入转变格式后的拨叉模型。

(2)定义材料属性，添加材料，材料的密度，弹性模量，泊松比。

(3)划分网格(节点及单元)，选择Model，点击Mesh，划分默认的网格。

(4)添加约束，选择Static Structural(A5)，再点击Supports选择Remote Displacement在受力面和两叉脚受力面添加约束。

(5)施加载荷进行求解，点击Loads选择Forces，施加力。点击Solution(A6)，点击Equivalent Stress(等效应力)，Equivalent Elastic Strain(等效弹性应变)，Total Deformation(总变形)，获得应力变形云图。

研究的拨叉添加的材料属性如表1所示。

表1 拨叉的材料属性

此次分析添加约束情况为，根据拨叉实际约束情况只能向Z轴负方向移动，不能轴向转动，因此约束XY方向上的移动和转动，约束Z方向上的转动。

研究的拨叉划分的网格采用四面体网格，共划分了4171个单元，7675个节点)，最后划分的网格如图4所示。

图6 拨叉结构优化模型

图7 优化拨叉应力云图

图8 优化拨叉应力云图

图9 优化拨叉应力云图

1.3 分析结果

零件受到载荷后的应力云图如下。从下图中可以看出，该拨叉所受的最大应力为46.159MPa，主要集中在固定拨叉轴的圆柱部件与两爪相交的部位。如图5所示。

2 拨叉的优化

2.1 优化方案

结构优化的研究分为三个层次：结构尺寸优化(Sizing Optimization)、结构形状优化(Shape Optimization)和结构拓扑优化(Topology Optimization)[4]。结构尺寸优化已基本成熟，结构形状优化比结构尺寸优化困难一些，仍处于发展阶段，而结构拓扑优化非常困难，被认为是最具挑战性的课题，在工程设计中尚处在探索性的阶段[5]。

研究选择的优化方案为对拨叉应力最为集中两爪的部位进行结构优化，优化前后对比效果如图6所示，将拨叉两爪应力最为集中的部位进行适当的加宽。为了得到最优的结果，将此部位分别加宽2mm,1.5mm,1mm。