某減速機撥叉有限元分析及優化設計

楊志龍，陳龍

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

某減速機撥叉有限元分析及優化設計

楊志龍，陳龍

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

∶文章以某減速機撥叉為研究對象，通過對其在換擋過程中的強度性能及變形量進行了有限元分析，從而設計出最完善合理的結構。最終結果表明，優化后的撥叉在同等工況下變形量減小了約75%，最大應力減小了約50%，對減速機換擋的平順性、穩定性以及使用壽命都大大增強，同時還使得整體結構布局更加緊湊。

∶撥叉；減速機；有限元分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.047

CLC NO.: U463.51Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-135-02

前言

自從減速機誕生以來，撥叉已經成為其重要的零部件之一。撥叉作為過渡件將外部操作與內部齒輪組連接起來，通過對不同齒輪間的結合與斷開，實現不同速比的動力傳輸，達到所需的運動狀態。在撥叉運動過程中，由于兩端的受力不均及中心距尺寸的落差，會出現不同程度的形變與彎曲，對嚙合寬度，受力區間，以及換擋的可靠性都有影響，嚴重的可能出現打齒、磨損，甚至齒根斷裂等危險情況。所以，為了保障減速機順暢換擋的可靠性，對減速機中的撥叉形狀、受力分析及附屬結構做出最優的設計非常重要。

1、有限元模型的建立與分析

撥叉通過上端的撥叉軸進行外力的操縱，下端通過半環形邊套在嚙合套上，往復運動實現齒輪組的結合與分離（即掛檔與摘擋的動作）。對于此減速機的分析，截取撥叉局部結構如圖1所示，撥叉形狀如圖2所示。

圖1　撥叉安裝位置

建模所需的基本參數如下：撥叉材料為20CrMnTi，屈服強度為835MPa，彈性模量為210GPa，泊松比為0.28，密度為7830kg/m3。

圖2　撥叉形狀

鑒于外接氣缸對撥叉做軸向操作，考慮到氣缸的輸出屬性，在軸端施加200kg的力后，得到減速機撥叉做出的內部應力云圖、變形情況，分析關鍵位置變形曲線，從而找到薄弱環節予以加強，找到過盈位置予以修改，這就是此次對撥叉優化遵循的基本原理。

工況模擬分析（撥叉頂端施加力、下端約束，模擬掛檔時的狀態）

圖3　應力云

圖4　變形位移量

通過圖3、圖4的結果所示，減速機撥叉的最大應力點處的應力強度約為369MPa，最大位移量約為6mm左右。

從分析結果來看，此工況下撥叉形變量最大是在6mm左右，這對于換擋的可靠接觸面、受力及結構的緊湊型布置都有很大的影響。所以在保證上下兩端中心距無法改變的前提下（由于受外殼體形狀及對接其他件的空間需求等多因素限定），針對出現的問題，對撥叉形狀做出合理化改進并再次有限元分析很有必要。

2、優化結構并分析驗證

圖5　優化后的撥叉模型

保證裝配關系位置不變，操縱力不變。為了提高撥叉可靠性，減少型變量，同時考慮到此件為鑄件，注意鑄件特有的工藝性問題，將其結構優化為圖5所示。

對改進后的模型進行計算分析，圖6和圖7分別為優化后撥叉的應力云圖和位移。

圖6　優化模型的應力云圖

圖7　變形位移量

通過圖6、圖7的結果所示，優化后的撥叉最大應力強度降低到約184MPa，最大變形位移量也下降到約1.5mm左右。

表1　優化前后對比

從表1對比結果中可以看出，在受到相同載荷和使用工況下，優化后的撥叉較優化前狀態最大位移減少了75%，最大應力點的值減少了50%。雖然質量增加了62%，但最大位移量（即型變量）減少到1.5mm，最大應力值下降到184Mpa，遠小于撥叉屈服應力835Mpa。使撥叉的抗疲勞能力大幅提高，在實現撥叉使用功能情況下，大幅提高了撥叉使用壽命，實現了撥叉優化的最終目的。

3、總結

通過有限元分析可以設計出最科學的零部件結構模型，也可以對現有的零部件進行驗證優化。此減速機的撥叉通過優化后已于2015年開始使用，在機械靜壓傳動箱中，能夠流暢換擋且效果顯著。

[1] 王文斌.機械設計手冊[M].北京:機械工業出版社,2006.4.

[2] 王章忠,機械工程材料[M].北京:機械工業出版社,2001.5.

[3] 濮良貴,紀名剛.機械設計[M].北京:高等教育出版社,2006.5.

[4] 陳家瑞.汽車構造[M].吉林:人民交通出版社,2006.

The Finite Element Analysis and Optimizationof The Shifting Forkfortraction vehicle

Yang Zhilong, Chen Long
(Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200)

In this paper, a gear shift fork for the research object, through the shift process in the strength and deformation of the performance of the finite element analysis, so as to design the most perfect reasonable structure. Finally, the simulation results show that optimized fork under the same conditions, the deformation is reduced by about 75%, the maximum stress decreases approximately 50%, the reducer shift smoothly, stability and service life are greatly enhanced, also still have to the overall layout of the structure is more compact.

shifting fork; speed reducer; finite element analysis

∶U463.51

∶A

∶1671-7988 (2016)09-135-02

楊志龍（1988—），男，助理工程師，就職于陜西重型汽車有限公司，從事零部件設計。