换挡拨叉的有限元分析及优化

孙成龙，冯飞，韩启锋

[坤泰车辆系统(常州)股份有限公司，江苏常州 213011]

0 引言

随着社会进步和生活品质的提升，客户对汽车舒适度的要求不断增加，因此变速箱在换挡过程中不仅要满足功能要求，还要考虑换挡的平顺性。影响变速箱换挡平顺性的因素有很多，如拨叉结构、同步器性能、控制策略等，其中，拨叉结构对于换挡平顺性影响显著。因此在设计研发阶段，对拨叉结构进行有限元仿真分析显得尤其重要，在仿真分析评价中，不仅要评价拨叉结构的强度刚度是否满足要求，还要建立影响平顺性的评价指标。

文献[2-4]中通过建立有限元模型，对拨叉进行有限元分析，对强度和刚度进行评价，并在此基础上进行优化设计和验证，保证了拨叉设计的安全性要求。但是在文中并没有提及拨叉不同叉脚处的受力情况，对可能存在的偏载没有相应评价指标。文献[5-6]在保证强度要求的前提下，通过在拨叉两个叉脚处施加相同的力并比较它们变形的方法，提出了拨叉等刚度优化设计的思路。并基于此进行拨叉的优化，优化前后刚度差从0.512 mm变成0.19 mm，降低幅度达到50%以上，提高了换挡平顺性。但是文中并未给出明确的评价指标，而在实际的正向开发分析中需要有确定的评价指标来判断设计是否满足要求。

在变速箱的研发过程中，在结构空间允许的情况下一般将拨叉设计成完全对称结构，此时可最大限度地保证拨叉两个叉脚受力均匀，避免偏载。如果受到空间的限制，两个叉脚必须设计得一长一短，需要保证两个叉脚在工作过程中受力接近或相等。在实际工作中，为了达到这一目标，需要优化分析多轮。特别是当设计工程师对拨叉设计经验欠缺时，可能优化多达十几轮。

文中基于多年设计开发和仿真分析经验，针对拨叉设计分析，提出了变形、应力和左右叉脚支反力误差等评价指标来指导优化设计工作，并以某变速箱研发过程中拨叉的优化分析为例来说明。其中叉脚支反力误差给出了量化指标5%作为评判标准，对实际工作具有较强的指导作用。同时根据仿真分析的评价指标推导出拨叉设计的基本原则，从而减少拨叉优化分析次数，提高工作效率，缩短项目的开发周期。

1 三维模型

图1为优化前拨叉的三维模型。该拨叉有3个叉脚，左右叉脚一长一短，中间叉脚和两边叉脚高度差为0.35 mm。其中中间叉脚设计原则如下：在正常工况下中间叉脚不工作，保持换挡平稳；当出现冲击等异常工况时，中间叉脚与齿套接触并工作，保证拨叉系统的刚度和强度满足要求。

图1 优化前拨叉的三维模型

2 有限元分析

文中使用合适的尺寸对模型进行网格划分，网格大小为2 mm，并对局部圆角进行细化，材料为铸铝ADC12，屈服强度为140 MPa，抗拉强度为240 MPa。最终建立的拨叉有限元分析模型如图2所示。其中点与齿套相连，、两点与拨叉两端相连，模拟拨叉在液压缸套中的状态，和可以在轴线移动，其他自由度约束。具体加载条件见表1。

图2 拨叉有限元分析模型

表1 拨叉有限元分析加载条件

利用ABAQUS软件对有限元模型进行计算，得到拨叉的分析结果。图3(a)、图4(a)和图5(a)分别展示了拨叉优化前的应力、变形和叉脚支反力结果。下面分别进行讨论：

(1)根据图3(a)展示的应力云图可知，优化前的拨叉最大主应力为212 MPa，远大于材料允许的屈服强度140 MPa，需要进行优化设计。

图3 拨叉最大主应力云图

(2)根据图4(a)展示的变形位移云图可知，优化前的拨叉最大位移为0.37 mm，位置在拔叉受力轴线上，数值在合理范围内，后期优化设计时应保证数值不大于此值。

图4 拨叉变形位移云图

(3)图5(a)为优化前拨叉3个叉脚所受支反力随着轴向力增大时的变化曲线。由图可知，拨叉中间叉脚一直未与齿套接触，左右叉脚支反力线性增加，但是两个力的误差较大，长叉脚支反力最大值为229 N，短叉脚支反力最大值为1 021 N，误差高达4倍多，设计不合理，需要进行优化设计。

图5 拨叉各叉脚支反力变化曲线

3 设计优化分析

文中第2节展示了拨叉优化前的分析结果，可以看出设计中存在不合理的地方，下面给出对应的优化思路和评价指标。

(1)应力。针对应力高的地方给出两个方面修改建议：增大圆角半径和提高相应加强筋的高度。目标是最大主应力数值小于屈服强度140 MPa。

(2)叉脚支反力。通过分析可知，叉脚设计存在两个问题：一个是中间叉脚未接触，在受载过程中未起到相应的作用，高度差设计不合理，因此建议中间叉脚和两边叉脚的高度差数值由0.35 mm改为0.2 mm；二是两边叉脚的支反力误差高达4倍，因此建议改变长短叉脚位置，同时建议长叉脚部分的筋加高加厚而短叉脚部分的筋降低减薄。目标是两边叉脚支反力误差在5%以内。

根据上述优化思路和评价指标对拨叉进行优化设计，经过三轮优化分析得到满足要求的设计如图6所示。优化后拨叉的分析结果如图3(b)、 图4(b)和图5(b)所示，均满足评价指标的要求，设计合理。拨叉优化前后分析结果对比见表2。

图6 优化后拨叉三维模型

表2 拨叉优化前后分析结果对比

4 结语

文中针对拨叉设计优化问题，基于有限元法，提出了应力、变形和叉脚支反力误差等评价指标，用来综合评估拨叉的设计，其中明确了拨叉两边叉脚的支反力误差应控制在5%以内。并且通过实际优化案例说明优化思路及改进建议，对工程实际应用具有一定的指导作用。基于拨叉有限元分析的方法和评价指标，提出以下拨叉设计基本原则：

(1)拨叉两边叉脚的设计优先考虑对称结构，特别对于新能源和部分混动变速箱，一般只有一个换挡拨叉，应在项目初期合理布置拨叉位置。当无法保证对称结构时，应在设计时保证长叉脚的筋略高或壁略厚，具体应该根据偏载情况合理分布。

(2)若存在中间叉脚，应设计中间叉脚和两边叉脚的高度差在0.2～0.3 mm，具体数值在优化分析中确定。目标是在正常工况下中间叉脚不工作，保持换挡平稳；当出现冲击等异常工况时，中间叉脚与齿套接触并工作，保证拨叉系统的刚度和强度满足要求。

(3)拨叉两边叉脚受力点连线在齿套中心点附近，使得换挡时齿套受力不会产生偏载，保证换挡平顺。