基于Hypermesh的变速器拨叉简化模型的有限元分析

陈留

摘要：在实际的开发制造中，为了很好的保证汽车的变速器拨叉能够有足够的强度，以保证在汽车正常行驶中能够平顺换挡以及行车安全，本文使用CATIA 对某微型车的变速器拨叉建立了简化的三维模型。采用Hypermesh软件，利用有限元分析法对变速器拨叉模型进行模态分析、静力学分析及优化分析。根据优化分析结果的提出了优化方案，将拨叉与拨叉轴安装孔的部位加宽。

Abstract： In the actual development and manufacturing， in order to ensure that the transmission fork of the car can have sufficient strength to ensure smooth shifting and driving safety in the normal driving of the car， this paper uses CATIA to establish the transmission fork of a mini car  Simplified 3D model.  Using Hypermesh software， the finite element analysis method is used for modal analysis， static analysis and optimization analysis of the transmission fork model.  According to the results of the optimization analysis， an optimization plan was proposed to widen the positions of the fork and fork shaft mounting holes.

关键词：Hypermesh;有限元;静力学分析;模态分析;优化分析

Key words： Hypermesh; finite element;static analysis;modal analysis;optimization analysis

0  引言

在汽车变速箱传动机构中换挡拨叉作为汽车换挡结构的重要部分，它的性能的好坏决定了汽车的性能，让学者和驾驶员非常的重视[1]。变速器拨叉是汽车传动机构里面最重要的一部分，变速器拨叉强度优劣会影响变速器的正常工作，影响汽车传动机构的安全性以及持久性[2]。然而，拨叉作为汽车变速箱换挡的至关重要的一个零部件，拨叉的疲劳损伤也直接影响着变速箱的性能，现有研究主要集中在拨叉断裂的原因，没有对进行仿真分析[3]，故以某微型车上的变速器拨叉为研究对象，对有限元模型并进行了模态分析，得出其振动特性，紧接着根据静力学分析对拨叉进行了拓扑结构优化，为拨叉的设计提供理论依据。然后在静力学分析的基础上对模型进行优化，并对优化方案进行分析，最后得到变速器拨叉强度上的最佳设计方案。

1  拨叉结构有限元模型的建立

在对建立拨叉的三维实体模型分析之前，可以对拨叉模型进行一定的简化，并且把拨叉简化成一个整体。这样处理后可以缩短计算时间，提高计算效率，并且与实际情况相差不大。

根据相应的实物及上述简化方法，使用三维建模软件CATIA 对该实物进行三维建模，首先建立脚叉及拨叉轴两个零部件，然后建立拨叉安装孔。如图1所示。

2  拨叉模型模态分析

本文将Catia建好的三维模型以stp文件格式导入Hypermesh中，对拨叉三维模型进行离散化处理，并对进行网格进行后期处理，对其材料的定义和属性的设置，根据建立的有限元模型，对拨叉进行动态特性分析，对该拨叉进行了自由模态分析，得到其固有频率值和振型。

由图2和图3可知，拨叉的第1阶和第2阶模态的固有频率值分别为405.8Hz、406.6Hz;拨叉的1阶模态振型为弯曲振动，2阶模态的振型为扭转振动;由应力云图可知，1阶弯曲和第2阶模态时右拨爪和左拨爪顶端处的振幅较大，弯曲振动最大位移出现在拨叉的弧顶处，而扭转振动最大位移出现在拨爪与接合套接触的工作面的横向弧顶处。

由图4可知，拨叉的第3阶模态的固有频率值分别为628.3Hz。拨叉的3阶模态振型的应力云图可知，局部扭转时，右左拨爪顶端处的振幅相似。都比前两阶最大应力要少。

从图2-图4可以看出拨叉的薄弱环节在拨爪与接合套接触的工作面的横向弧顶处，因此在设计拨叉时，可以通过优化结构或改善材料对其加以改进。

3  拨叉静力学分析

根据建立的有限元模型和加载约束条件，对拨叉做静力学分析，得到拨叉的振型图和应力云图。由图5可知拨叉的最大位移在拨爪与接合套接触的工作面的横向弧顶处。由图6可知拨叉的最大应力在拨叉与拨叉轴安装孔的地方，以后若要考虑优化设计，可着重考虑此部分的优化设计。

4  拨叉的优化分析

4.1 优化方案

图7为第一次迭代的结果;图8为第十次迭代的结果;图9为第十九次迭代的结果。经过分析选择的优化方案为对拨叉应力最为集中的拨叉与拨叉轴安装孔的部位进行结构优化，优化将拨叉应力最为集中的部位进行适当的加厚。

4.2 优化方案

从图7-图9可以看出对薄弱部位分别加宽后对优化后的模型进行再分析，前兩张方案相比原拨叉应力明显变小，故满足设计的强度要求。优化方案得到的拨叉强度最薄弱部位均在拨叉与拨叉轴安装孔的部位。

5  结论

①经过自由模态分析得出了拨叉的模态振型，拨叉的第1阶、第2阶和第三阶模态的固有频率值分别为405.8Hz、406.6Hz和628.3Hz。

②经过静力学分析得出了拨叉的的振型图和应力云图，从图分析出拨叉的最大位移在拨爪与接合套接触的工作面的横向弧顶处。

③经过优化分析得出了拨叉的十九阶迭代的振型，得出了优化方案为对拨叉应力最为集中的拨叉与拨叉轴安装孔的部位进行结构优化，优化将拨叉应力最为集中的部位进行适当的加厚。

参考文献：

[1]徐海山，汤梦蕊.变速器换档拨叉的设计[J].机械工程师，2012，04：60-61.

[2]李金龙，吴超，廖敏.拨叉零件的结构设计及改进[J].机械设计与制造，2016，（05）：30-34.

[3]陈德民，李雪原，胡纪滨，等.轮式车辆变速箱换挡拨叉断裂的累积损伤研究[J].北京理工大学学报，2006（10）：1-5.

[4]贾院，罗大国，陈勇，等.变速器换挡拨叉疲劳寿命分析[J].汽车工程师，2014（8）：1-4.