基于等刚度的变速箱拨叉优化设计

王　佳　李瑾宁　杜春鹏　闵运东　李剑平　占　伟

东风商用车技术中心， 武汉 430000



基于等刚度的变速箱拨叉优化设计

王佳李瑾宁杜春鹏闵运东李剑平占伟

东风商用车技术中心， 武汉 430000

针对商用车变速箱换档平顺性问题，建立换挡过程的力学模型和受力方程，分析变速箱拨叉结构设计中对换挡平顺性影响的关键因素，表明了拨叉等刚度优化设计的重要意义。以某型号变速箱拨叉为例说明结构优化过程，对比分析新旧拨叉的强度和等刚度，结果表明通过结构优化不仅可以大幅度提高拨叉结构的等刚度，提升变速箱换挡平顺性，还可以改善应力分布，提高强度，最后进行了试验验证。

商用车变速箱拨叉等刚度设计换挡平顺性

0　引言

随着社会的进步和生活品质的提升，汽车变速箱不仅要满足换挡的功能要求，更要满足用户的舒适体验，变速箱换挡平顺性直接影响着用户的换挡体验。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、换挡零部件加工精度等，其中拨叉结构对于换挡平顺性影响非常显著[1,2]。在拨叉设计时尽量采用对称结构，保证其两叉脚受力过程中刚度一致[3]，避免在推动同步齿套过程中产生过大的附加弯矩，阻碍同步齿套的运动，造成换挡力偏大，换档不平顺，甚至挂不上档[6]。然而很多拨叉的设计受变速箱内部空间结构的限制，很难保证所有拨叉都是结构对称，因此会造成部分档位换挡不平顺。本文将详细阐述拨叉等刚度设计对变速箱换挡平顺性的重要影响和意义。

1　理论分析

变速器换挡结构比较复杂，如图1所示，切换档位时通过拨叉将同步齿套推入相应档位进行啮合达到同步，理论分析时将其进行了相应的简化，如图2所示。根据实际受力情况，滑动齿套受力简图如图3所示，滑动齿套宽度为L，内径为D。当拨叉的结构不是等刚度时，两叉脚作用于滑动齿套的推力将不同，会对轴心处产生一个附件力矩M。此外，由于齿套产生的微小偏斜，会在边缘处造成线接触，产生压力FN，进而产生摩擦力f，阻碍滑动齿套的运动。由于上下摩擦力大小相等方向相同，因此不会产生力矩，偏斜产生的附件力矩M仅由FN平衡。滑动齿套的运动是由

(1)

产生，摩擦力越小，合力越大，推动越平顺，反之越费力，因此摩擦力f是影响平顺性的关键因素。

当F1=F2时，M=0，FN=0，f=0，平顺性最好，此时拨叉结构处于绝对等刚度。

当F1≠F2时，根据力矩平衡：

(2)

求得FN=|F1-F2|D/2L，由于换挡拨叉滑块与滑动齿套的接触通常是铸钢对渗碳钢，因此取摩擦系数μ=0.15，得到摩擦力

f=μFN=0.075|F1-F2|D/L

(3)

由公式3可知，摩擦力的大小主要由左右叉脚受力差|F1-F2|和滑动齿套内径与齿宽的比值D/L决定。因此，拨叉结构等刚度越好，左右叉脚受力差越小，所产生的摩擦力越小，换挡平顺性越好；在滑动齿套内径一定的情况下，齿宽越大，产生的摩擦力越小，越有利于换挡的平顺性。

换档前换档后

图1变速箱同步结构图

Fig.1Transmission synchronization structure

图2　变速箱同步结构简化图

图3　滑动齿套受力简图

2　等刚度优化方法

某型号变速箱在换挡过程中，换挡费力，平顺性较差，用户体验不佳，其主要原因归结于拨叉结构不对称，等刚度差，在受力过程中左右叉脚受力差大，变形不一致，为此需要进行结构优化和技术改进，提升换挡平顺性。如图4对拨叉进行网格划分，网格大小3 mm，并对局部圆角进行细化，材料为铸钢。

为了真实模拟换档工况，如图5所示，进行强度计算时加载如下：

1、在叉脚1、2面处分别加约束，该约束在法向受压时被阻挡，受拉时可分离，切向自由；

2、在轴孔4处施加柱约束，径向、切向固定，轴向自由；

3、在螺栓孔3处施加相应档位的换挡力，倒档400N，一二档1800N，三四档1500N，五六档800N，方向沿轴孔4轴向向外。

由于刚度通过位移表现出来，所以可以加载相同反力求位移来等效拨叉刚度。刚度分析加载如下：

1、在轴孔4处施加柱约束，径向、切向和轴向全固定；

2、在叉脚1、2面处分别施加相应档位的换挡力的二分之一，方向沿轴孔4轴向向内。

图4　网格划分

图5　边界条件

为了增强拨叉等刚度，减小两叉脚推力差，提升变速箱换挡性能，在进行结构优化时采取以下原则：

1、在变速箱内部空间允许的范围内，尽量将拨叉优化为对称结构；

2、在变速箱内部空间及布置不允许的情况下，刚度大的一侧减材料，刚度小的一侧加材料，从而提升等刚度。

3、在重量变化不大的情况下，通过结构优化改善拨叉应力分布，同时加强结构薄弱区域，提升拨叉整体强度；

4、结构优化过程中考虑加工工艺，力求不增加成本。

3　结果分析

根据设定的优化原则，变速箱各档位拨叉优化结果如图6所示，从图中可看出，优化后的拨叉结构均发生了较大变化，其中一二档拨叉可设计成对称结构，其余拨叉由于受结构空间限制，无法做到对称结构，但保证两叉脚变形差小于0.3 mm。

其中倒档拨叉优化前后有限元分析结果如图7所示，优化后两叉脚刚度差从0.512 mm减小到0.19 mm，等刚度提升了63%；同时重量减轻，应力分布更加均匀，最大应力减小18%，优化效果比较明显。

优化前

优化后

同理对其他档位拨叉进行了分析计算，各档位拨叉优化前后等刚度变化如图8所示，四个拨叉等刚度提升都达到了60%以上，其中一二档拨叉实现了等刚度设计。拨叉优化前后应力变化如图9所示，四个拨叉通过结构优化，材料得到了充分利用，最大应力得到了明显降低，其中一二档和三四档拨叉应力改善最为明显，降低幅度达到50%以上，优化效果明显。

4　试验验证

目前，该优化设计方案已经顺利实施，并进行了相关的试制试验，其中优化前后五六档同步器换档力性能曲线如图10所示。由图中曲线可看出，在其他条件不变的情况下，通过优化拨叉的结构，进行等刚度设计，可有效减小换档力，提高换挡的平顺性，试验结果进一步证明了该等刚度优化设计方案的可行性。

5　小结

本文首先通过理论分析，说明了拨叉两叉脚的刚度差会产生推动同步齿套运动的推力差，对变速箱换挡平顺性产生很大影响。然后结合实际项目，对某变速箱拨叉进行等刚度优化设计，并进行了试验验证，结果证明，优化后的拨叉不仅大幅度的提升了等刚度，改善了两叉脚推力差过大造成的换挡吃力的现状，提高了换挡平顺性，而且减轻了重量，改善了应力分布，提高了强度，很好的阐明了变速箱拨叉等刚度优化设计理念的重要意义。

图7　倒档拨叉优化前后有限元分析结果

图8　拨叉优化前后等刚度变化

图9　拨叉优化前后应力变化

图10　同步器换档力性能曲线

[1]徐海山，汤梦蕊. 变速器换档拨叉的设计[ J ]. 机械工程师，2002，4(2)：60-61.

[2]孙淑玲，王颖，陈洁. 汽车拨叉裂纹原因分析[ J ]. 铸造，2012，1(1)：113-115.

[3]阎波，张冠伟. 基于等刚度原理的汽车同步器齿套倒锥刀具设计[ J ]. 机械管理开发，2006，12(6)：29-30.

[4]左大平，王艳. 汽车起动机齿轮拨叉失效分析[ J ]. 工程塑料，2006，12：35-37.

[5]徐伟峰. 汽车起动机齿轮拨叉失效分析[ J ]. 工程塑料，2006，12：35-37.

[6]Rohit Kunal, Mahindra and Mahindra. Gear Shift Fork Stiffness Optimisation [ J ]. SAE international，2011，01：22-35.

Gearbox Fork Optimal Design Based on Equal-stiffness

WangJiaLiJinningDuChunpengMinYundong

LiJianpingZhanWeiDongfengCommercialVehicleTechnicalCenter

For transmission shifting comfort problem of commercial vehicle, Set up the mechanical model of shifting process and stress equations is set up, the key factors which influence shifting comfort of fork design is analyzed, showing the importance of equal-stiffness optimal design for gearbox fork. Aiming at the shift problem of a certain type gearbox fork, structure optimization is done, strength and equal-stiffness is analyzed and compared of old and new fork. Results showed that the fork through structural optimization can not only greatly improve the fork equal-stiffness, promote gearbox shifting comfort. But also can improve the stress distribution and weight reduction. Finally, experimental verification is done.

Commercial vehicleGearbox forkEqual-stiffness designShift comfort

1006-8244(2016)01-025-04

王佳(1989-)，男，东风商用车技术中心，硕士研究生。研究方向为变速箱开发。

U463.211

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