變速器中倒檔導塊輕量化改進

趙程程 張波

摘 要：隨著重型汽車行業的不斷發展，市場競爭越來越激烈，整車對輕量化需求也越來越高。順應市場的發展趨勢，文章對變速器中倒擋導塊進行結構優化，同時材料由8620H更改為20CrMnTi。改進結構通過三維仿真模擬應用場景測試驗證及應力強度計算驗證，滿足了零件輕量化的要求。

關鍵詞：倒檔導塊;20CrMnTi;改進措施及結果分析

0 前言

隨著重型汽車行業的不斷發展，市場競爭激烈化，主機廠對變速器的輕量化，也越來越高。順應市場及公司對變速器的輕量化的要求，本設計針對變速器上蓋中的倒檔導塊結構及材料，對導塊結構外形改進、更改材料，減小了質量、同時達到節約成本的目的。

1 導塊作用

1.1 導塊位置

倒檔導塊位于變速器上方上蓋總成內部，如圖1所示。

在變速器實現換擋中，倒檔導塊的作用是將操縱裝置中選檔撥頭的力傳遞給倒檔撥叉軸上，倒檔撥叉軸帶動倒檔撥叉，既而實現換擋的效果，如圖2所示。

1.2 導塊材料屬性

本文中所用材料基本力學性能如表1所示，8620H和20CrMnTi的機械性能由材料手冊查得。

導塊在實現換擋過程中倒檔導塊大概受力只有300 N～400 N，根據靜強度安全系數評價方法計算，對倒檔導塊進行加載。

倒檔導塊同撥叉軸連接孔的兩端全約束，螺塞同導塊之間Tie連接。如圖3所示。

分兩個工況，撥頭撥動導塊掛擋的掛擋力為Z軸正方向時為工況一，此時在加載點1加力，撥頭撥動導塊的掛擋力為Z軸負方向時為工況二，此時在加載點2（加載點1的對稱面）加力。

工況一分三個載荷工況，掛擋力300 N、400 N、500 N;

工況二分三個載荷工況，掛擋力-300 N、-400 N、-500 N。

導塊受到交變應力，需要用疲勞強度進行校核。

根據靜強度安全系數評價方法[1]：

其中，為工作疲勞安全系數，為危險點的工作應力，為材料的許用疲勞極限。

對于合金結構鋼，，其中為屈服極限，為抗拉強度[1]。

對于8620H，對照表2的=476.6 MPa。繼續計算得到的最小工作疲勞安全系數18.42也遠遠大于安全值1.2。

2 改進措施

根據以上分析，說明在導塊在使用過程還存在的很大安全區間。對此通過節省材料、減小導塊重量，來改變倒檔導塊的結構。同時對改后的導塊的不同材料試著進行了分析，將原來的8620H更改為更加便宜的20CrMnTi，圖4和圖5分別為改前和改后的倒檔導塊結構三維圖。

由材料手冊查得8620H和20CrMnTi的機械性能。同樣對應力及疲勞安全系數進行計算，計算結果數據如表3-1所示，應力單位為MPa。

根據表2-1材料性能數據：

對于20CrMnTi，=517.1 MPa;求得各工況的疲勞安全系數如表3所示。

各載荷工況應力云圖類似，本文列出500 N和-500 N載荷工況的應力云圖分別如圖6和圖7所示。

從計算結果可看出：

應力集中區域位于導塊同撥頭接觸面的根部圓角處（云圖中的紅圈區域），改進后導塊最大應力點位于圖中A點。

隨著受到的掛擋力增大，導塊最大應力增大，安全系數降低。

相同載荷工況下兩種材料計算出來的應力結果基本一致，這說明在分析所用的掛擋力作用下，兩種材料導塊的變形都只發生在彈性階段。

改進前和改進后的導塊的疲勞安全系數均大于1.2，滿足靜強度下疲勞壽命的要求。

雖然改進后疲勞安全系數有所減小，但由于導塊本身安全系數就很大，改進后最小也達到了9.82，完全滿足大于1.2的要求。

3 總結

文對改變了結構和材料的倒檔導塊進行了強度分析，與原結構進行了對比，分析結果表明，結構和材料改進滿足疲勞強度要求，導塊質量由原來的0.615 kg，減小至0.404 kg，質量減小了三分之一，同時20CrMnTi相比與8620H的價格更加便宜，達到了輕量化設計的目的、同時減低了成本。

參考文獻：

[1]孫恒，傅則紹.機械原理[M].北京：高等教育出版社，1989.