拖拉機變速箱撥叉的拓撲優(yōu)化研究

王紹清+李林海

摘 要：撥叉是變速器結(jié)構(gòu)中重要的承載部件。本文利用有限元分析軟件對變速箱撥叉進行了結(jié)構(gòu)分析，得到了變速箱撥叉在靜力作用下的位移分布云圖和應(yīng)力分布云圖。分析結(jié)果表明，該變速箱撥叉強度存在較大富裕，具有輕量化的優(yōu)化空間。利用solidThinking Inspire工具建立了變速箱撥叉的拓撲空間，進行了工況載荷的定義，得到了撥叉在靜力作用下的整個拓撲概念模型，經(jīng)過優(yōu)化后的變速箱撥叉滿足剛度、強度的要求，大大節(jié)約了工程材料，為設(shè)計提供了有價值的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：撥叉 solidThinking Inspire 概念模型 拓撲

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（b）-0000-00

1引言

撥叉[1]應(yīng)用于拖拉機的變速箱的換擋機構(gòu)中。作為變速器的重要部件，撥叉不僅要有足夠的剛度、強度，還要有良好的可靠性。本文利用UG[2]建立了撥叉的三維模型，利用有限元軟件[3，4]對撥叉進行了強度分析。利用solidThinking Inspire[5]工具建立了變速箱撥叉的拓撲空間，得到整個拓撲概念模型，大大節(jié)約了工程材料，為設(shè)計提供了有價值的理論依據(jù)。

2 變速箱撥叉強度分析

在UG中按設(shè)計圖紙尺寸對撥叉進行了簡化的三維建模，利用UG與ANSYS軟件的接口將所建立的撥叉三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件中。

變速器撥叉的材料選用鑄鋼ZG310-570，屈服強度310MPa，抗拉強度570MPa，彈性模量為E=206Gpa，泊松比為0.3，對三維模型進行網(wǎng)格劃分。 由于撥叉一端繞軸旋轉(zhuǎn)；撥叉兩側(cè)往復(fù)與齒輪面接觸受力，所以在有限元軟件中采用孔固定約束。撥叉叉爪兩側(cè)所承受的最大載荷為7KN，加載與撥叉爪兩側(cè)面上，方向為側(cè)面的垂直方向。

對變速箱有限元模型進行求解，得到變速箱撥叉的位移分布云圖和應(yīng)力分布云圖，如圖1和圖2所示。

有靜力分析結(jié)果可知，變速箱撥叉最大形變發(fā)生在兩個撥爪處，其大小為0.05957mm，滿足設(shè)計要求。最大應(yīng)力發(fā)生在兩個撥爪與基體的連接處，大小為106.798MPa，在鑄鋼的強度范圍之內(nèi)，滿足設(shè)計要求。所以變速箱撥叉強度存在較大富裕，具有輕量化的優(yōu)化空間。

3 變速器撥叉的拓撲優(yōu)化

將模型導(dǎo)入SolidThinking Inspire中。將中間部分定義為變速箱撥叉的設(shè)計空間，根據(jù)變速箱撥叉的實際工況，對孔進行固定約束，定義相應(yīng)的載荷，將形狀約束設(shè)置為單向拔模對稱約束。

對模型進行解算，解算后的模型如圖3所示。

將SolidThinking Inspire優(yōu)化后的概念雛形保存為stl文件，將其作為重建模型的參考。結(jié)合零件制造的工藝性要求，將stl文件導(dǎo)入到CAD軟件中進行重建，圖4為重建的變速箱撥叉模型的高清渲染圖。

該結(jié)果表明新設(shè)計的變速器撥叉不但滿足性能要求，而且質(zhì)量減少了20%，實現(xiàn)模型優(yōu)化與工藝性的統(tǒng)一。該優(yōu)化設(shè)計方法達到了降低零件制造成本的目的。

4 總結(jié)

（1）本文利用ANSYS得到了變速箱撥叉在靜力作用下的位移分布云圖和應(yīng)力分布云圖。結(jié)果表明變速箱撥叉強度存在較大富裕（2）利用solidThinking Inspire軟件在靜強度下對變速箱撥叉進行了結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化。通過優(yōu)化使變速箱撥叉材料達到一個最優(yōu)化的分布，在滿足給定剛度和強度條件下使撥叉的用料最少，節(jié)省了大量工程材料。

參考文獻c

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