汽车换挡选择轴E形环的轴向拉压疲劳寿命仿真分析

刘永兴 王强 沈涛

摘 要：以汽车换挡选择轴E形环为研究对象，进行轴向拉压工况下的疲劳试验，采用基于SolidWorks的有限元进行疲劳仿真分析，并将疲劳仿真分析对标试验结果，结果基本一致，验证了有限元仿真模型和疲劳仿真模型的准确性。

关键词：E形环;有限元;疲劳仿真分析

中图分类号：U463.33文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）22-0090-03

Abstract： Taking the E-ring of automobile shift selection shaft as the research object， the fatigue test under axial tension and compression condition was carried out. The fatigue simulation analysis was carried out by using the finite element method based on SolidWorks. The results were basically consistent， which verified the accuracy of the finite element simulation model and the fatigue simulation model.

Keywords： E-ring;finite element;fatigue simulation analysis

汽车换挡轴是变速器的重要部件之一，在汽车换挡过程中，换挡轴通过换挡杆带动，能沿自身轴线方向移动和旋转，实现换挡操作[1]。在换挡操作过程中，E形环受到轴向的拉压力作用。本文以某汽车配件公司对汽车换挡选择轴E形环的生产和试验要求，在设计和制造疲劳试验装置的基础上，基于SolidWorks软件对E形环进行疲劳寿命的仿真分析。

1 汽车换挡选择轴E形环疲劳试验装置及试验要求

将E形环安装在汽车换挡选择轴的凹槽内（见图1），通过转轴对E形环施加一轴向力，使其作用于材料为PA6的导块上。要求进行2项疲劳试验：一是轴向力[F]=20 N，作用时间持续1 s，循环500 000次;二是轴向力大小[F]=800 N，作用时间10 s，循环10次[2]。

图2为汽车换挡选择轴E形环的疲劳试验装置，采用气缸施力，加载于转轴端面上，并通过控制气体压力大小保证试验对载荷大小的要求[3]。

2 三维建模和材料定义

E形环轴向拉压疲劳仿真的流程如图3所示，利用SolidWorks软件建立E形环的三维模型，输入材料属性、划分网格、定义载荷和加载边界条件后，输出应力分析，并在应力分析基础上进行疲劳仿真分析[4-7]。

根据E形环几何尺寸和相关参数，采用SolidWorks建立E形环有限元模型，定义E形环材料65Mn的各项参数，取弹性模量为197 000 MPa、泊松比为0.282、抗拉强度为980 MPa、屈服强度为785 MPa，质量密度为7 820 kg/m3。同时，对汽车换挡选择轴中与E形环的工作状态相关的零部件进行模型简化，包括转轴、导块及直线轴承。

3 E形环应力仿真分析

利用SolidWorks自带的网格划分模块对E形环模型进行网格划分，定义引力条件为[g]=9.81 N/kg，通过转轴对E形环施加厂家要求的轴向力，设置E形环与转轴凹槽、E形环与导块之间为无穿透接触连接。

在轴向拉压试验仿真结果中，如图4所示，E形环在[F]=20 N作用力下持续1 s时，应力集中出现在与导块接触面的壁厚变化最大交接处，最大应力为18.137 MPa;E形环在[F]=800 N作用力下持续10 s时，最大应力出现在与选择轴凹槽接触处，最大应力为186.45 MPa。

4 E形环疲劳寿命仿真分析

疲劳破坏实质上是一个损伤逐步累积的过程[8]。在轴向拉压力的反复作用下，E形环结构的应力集中部位或最薄弱部位最先萌生出疲劳裂纹。随着疲劳裂纹的扩展和材料的剥落，最终导致E形环疲劳失效直至断裂。E形环轴向拉压疲劳破坏仿真分析是在厂家要求的循环次数下，由材料的S-N曲线计算得出，材料的S-N曲线由厂家提供。

将应力仿真得到的E形环应力结果和载荷周期加载到SolidWorks Simulation模块中，采用Soderberg平均应力纠正，疲劳强度缩减因子取0.56。

運行得到E形环的疲劳寿命仿真分析结果。图5为E形环在[F]=20 N作用下的疲劳寿命云图，其生命周期在1.4×108次，远高于厂家要求的50万次。图6为E形环在[F]=800 N作用下的疲劳寿命云图，其生命周期在13 000次，也远高于厂家要求的10次。

5 结论

①应用所建立的E形环静态有限元模型可以有效地确定E形环的应力关键部位。

②应用所建立的E形环模型进行疲劳仿真分析，可以计算出E形环在不同应力作用下的疲劳寿命。

③按照厂家要求，在试验室通过疲劳试验装置对E形环进行疲劳试验，判断结果为：进行耐久试验后E形环无变形、损坏、与装配部件分离。仿真结果与试验结果一致。

④结合疲劳寿命仿真分析和试验结果，可以为汽车换挡选择轴相关零部件的日常维护和结构优化提供一定的参考依据。

参考文献：

[1]重庆荆江汽车半轴有限公司.一种换挡轴存放架：201420632267.8[P].2014-10-27.

[2]刘永兴，王强，阳彦雄.一种E型密封圈疲劳试验装置的设计与研究[J].现代制造技术与装备，2020（3）：87-88，92.

[3]刘家伦，刘永兴，蒋世应.一种E-挡圈的检测试验装置设计[J].中国机械，2015（1）：11-12.

[4]王霄锋，邹平，陈元卫.一种轿车扭转梁的疲劳寿命计算方法研究[J].拖拉机与农用运输车，2020（3）：15-18，22.

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[8]许金泉，郭凤明.疲劳损伤演化的机理及损伤演化律[J].机械工程学报，2010（2）：40-46.