变速器换挡拨叉疲劳寿命分析

贾院 罗大国 陈勇 王瑞平

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司；浙江吉利罗佑发动机有限公司）

疲劳破坏是工程结构和机械失效的主要原因之一，引起疲劳失效的循环载荷的峰值往往远小于根据静态断裂分析估算出来的“安全”载荷。因此开展结构疲劳寿命研究有着重要的工程意义[1]。文章以某变速器换挡拨叉组件为研究对象，采用有限元和多体动力学联合仿真，对其进行疲劳寿命分析，选用名义应力法进行疲劳寿命校核，获得换挡拨叉组件的疲劳寿命，确保其在设计初期满足设计要求。

1 疲劳寿命分析方法[1]

确定结构和机械疲劳寿命的方法主要分为试验法和试验分析法。试验分析法亦称为科学疲劳寿命分析法。

确定疲劳寿命的分析法是依据材料的疲劳性能，对照结构所受到的载荷历程，按分析模型来确定结构的疲劳寿命。按照计算疲劳损伤参量的不同可以将疲劳寿命分析方法分为：名义应力法、局部应力应变法、应力应变场强法、能量法、损伤力学法及功率谱密度法等。然而在工程实践中应用最广泛的是名义应力法。

名义应力法是最早形成的抗疲劳设计方法，它以材料或者零件的S-N 曲线为基础，对照试件或者结构疲劳危险部位的应力集中系数和名义应力，结合疲劳损伤累积理论，校核疲劳强度或计算疲劳寿命。

名义应力法计算疲劳寿命的流程为：1）通过静强度分析确定结构中的疲劳危险部位；2）求出危险部位的名义应力和应力集中系数，并根据载荷谱确定危险部位的名义应力谱；3）应用差值法求出当前应力集中系数和应力水平下的S-N 曲线；4）应用疲劳损伤累积理论，求出危险部位的疲劳寿命。

2 换挡拨叉组件疲劳寿命分析

采用有限元分析和多体动力学仿真分析联合仿真的方法，将仿真结果导入疲劳寿命分析软件Fe-safe 中进行疲劳寿命分析。

首先在Hypermesh 软件中建立换挡拨叉组件强度分析的有限元模型，定义材料参数，设置边界条件等，然后采用Abaqus 进行计算求解，将该结果文件和多体动力学仿真获得的换挡力导入Fe-safe 中进行疲劳寿命分析。在Fe-safe 中需要定义材料疲劳特性参数，设置零部件表面粗糙度、零件表面热处理、尺寸效应及工作温度等参数，并选择合适的疲劳分析法则，最后进行计算求解，输出换挡拨叉组件的疲劳寿命，并指出其疲劳寿命危险点的位置，为换挡拨叉组件的设计改进工作提供理论依据。疲劳寿命分析的流程，如图1所示。

2.1 换挡拨叉组件强度分析

此款变速器的换挡拨叉分为1/2 挡、3/4 挡、5/6 挡及倒挡拨叉，由于各个换挡拨叉结构相近，故分析过程以3/4 挡拨叉为例。

2.1.1 网格划分

为了得到较为准确的分析结果，换挡拨叉组件的有限元模型采用六面体网格进行划分，单元类型选择solid45 体单元。为了保证计算精度和计算效率，对应力不敏感的位置采用较为稀疏的网格进行划分，对应力集中敏感的位置采用细密的网格划分，并且简化了部分倒角和小孔。为了保证焊接部位疲劳寿命分析的可靠性，采用三维实体网格模拟焊缝。由于焊接高温导致焊缝的疲劳强度下降，所以将与焊缝结合的母材和焊缝材料作为同一部分，较准确地模拟了焊缝部位的变形和应力分布。图2 示出换挡拨叉组件的网格模型，模型中包含拨叉、叉口架、拨叉轴及齿套等传动所需的零件。

2.1.2 材料参数

拨叉轴采用45#冷拉钢，叉口架和拨叉采用45#钢板冲压成型，材料参数统一采用弹性模量为2.09×105MPa，泊松比为0.269。焊条一般选用和母材相近的材料，因此将焊缝的弹性模量分别设置成母材的90%和110%进行分析，将两者中应力较大的结果，作为疲劳寿命分析的输入。

2.1.3 边界条件和载荷的加载

为了较为真实地模拟拨叉轴的受力情况，在叉口架位置施加轴向单位力，考虑到该力分布在其接触面上，所以把0.01 N 单位力均匀分布在其端面100 个节点上；约束拨叉轴两端的x，y，z 向的自由度，约束齿套的x 向自由度，建立拨叉和齿套的面面接触。叉口架的受力模型，如图3所示。换挡拨叉组件的边界设置，如图4所示。

2.1.4 分析结果

将建立的有限元模型，导入Abaqus 中进行静强度分析，获得换挡拨叉组件在单位力作用下的应力结果。图5 示出换挡拨叉组件的应力云图，图6 示出叉口架应力云图。从图5 和图6 可知，换挡拨叉组件的最大应力出现在焊接和叉口架位置，其余部分的应力值均较小，因此这2 个位置容易出现疲劳破坏。

2.2 载荷谱的获取

利用三维建模软件Pro/E 建立变速器传动系统的3D 模型，将其导入Adams 软件中建立变速器传动系统多体动力学分析模型，对其进行换挡性能仿真，获得换挡过程中换挡拨叉所受的换挡力曲线图，如图7所示。将此曲线导入Fe-safe 中采用雨流法进行载荷处理，获得疲劳寿命分析所需的载荷谱。

2.3 疲劳寿命分析

2.3.1 材料S-N 曲线

机械零件材料的抗疲劳性能是通过试验来测定的，即在材料的标准试件上施加一定应力比的等幅变应力，通常是施加应力比r=-1 的对称循环应力，或是r=0 的脉动循环应力。通过疲劳寿命试验，记录在不同最大应力下引起试件疲劳破坏所经历的应力循环次数[2]。

换挡拨叉组件材料（45#钢）的S-N 曲线，如图8所示。焊接部位材料的S-N 曲线采用Fe-safe 软件自带的主S-N 曲线，如图9所示。

2.3.2 材料的疲劳参数

材料的疲劳参数对疲劳寿命的分析结果影响极大。45#钢的疲劳参数，如表1所示，将疲劳参数输入Fe-safe 软件中作为结构的固有特性。

表1 45#钢的疲劳参数

2.3.3 疲劳寿命分析

将换挡拨叉组件的强度分析结果导入Fe-safe 软件中，并将通过Adams 软件仿真分析得到的换挡力，以.dac 格式的文件输入Fe-safe 中。在图10所示的疲劳寿命分析控制窗口中分别选择45#钢和焊接材料的S-N 曲线，疲劳分析方法采用最大主应力法，平均应力修正采用Goodman 平均应力修正法，然后进行疲劳寿命计算。

换挡拨叉组件的疲劳寿命分析结果显示界面，如图11所示。从图11 中可知，换挡拨叉组件的疲劳寿命为1 902 567 次，疲劳破坏发生在58820 号单元的第4 个节点。因此需要对换挡拨叉组件相应的位置处进行结构优化，以满足疲劳寿命的设计要求。

3 结论

文章以某款变速器的换挡拨叉为研究对象，采用有限元分析软件Abaqus 对其进行静强度分析，获得换挡拨叉组件的应力分布情况，然后将Adams 中获得的换挡力和有限元分析结果输入Fe-safe 中，进行疲劳寿命计算，获得换挡拨叉的疲劳寿命为1 902 567 次，疲劳破坏发生在58820 号单元的第4 个节点。为零部件的结构设计工作提供指导方向，由此说明采用有限元和多体动力学联合仿真，可在设计初期对零部件的耐久性进行准确预测，减少了重复设计，有效地缩短了产品开发周期，降低了开发成本。