变速箱变速叉轴断裂分析及优化设计.doc

变速箱变速叉轴断裂分析及优化设计张小坤（中国重汽集团大同齿轮公司技术中心，山西 大同 037006）【摘要】以变速箱变速叉轴为研究对象，通过对变速叉轴断口位置及形状的分析，给出变速叉轴的优化设计方案。针对优化后的变速叉轴，应用Pro/E软件建立三维数模，应用ANSYS Workbench软件进行强度分析，得出变速叉轴强度满足设计要求。应用ANSYS Workbench软件得出S-N曲线和疲劳敏感性曲线，并结合变速叉轴强度分析结果，当换档导块实际承受的载荷为1700N时，变速叉轴的使用寿命为1.2e+5次，可以满足变速箱的设计要求。【关键词】WORKBENCH；S-N曲线；疲劳敏感性；使用寿命Optimizes Design and Fracture Analysis of Shift Fork Shaft of the TransmissionZHANG Xiao-kun(China National Heavy Duty Truck Group Datong Gear CO.LTD Technology Center,Datong 037006,Shanxi)【Abstract】To shift fork shaft of transmission as the research object, through the shift fork shaft position and shape of the fracture is given shift fork shaft optimal design. For optimized shift fork shaft, Application of Pro/E software establishment three dimensional Mathematical Modeling, Application of ANSYS Workbench software carries out the finite element analysis，Come to shift fork shaft strength to meet the design requirements. Application of ANSYS Workbench software Obtaines the S-N curve and the fatigue sensitivity curve, combined with Shift fork shaft strength analysis, When shifting the load bearing guide block the actual time for the 1700N, Shift fork shaft service life 1.2e +5 times, it can Meet the design requirements of transmission.【Key words】WORKBENCH；S-N curve；Fatigue Sensitivity；Useful Life0 引言变速箱是汽车传动系统的主要组成之一。变速箱主要由齿轮、轴、箱体、轴承等零部件组成，通过不同的齿轮之间的组合来实现变速和变矩。对于变速箱的要求，除了便于制造、使用、维修以及质量轻、结构紧凑外，还有以下几个特点：1）、汽车具有良好的动力性和经济性指标；2）、具有较高的传动效率；3）、操纵轻便、工作可靠；4）、具有空档和倒档。 17GOAg-ZB1K变速箱是大齿公司在引进日产柴的最新技术研发的MPT21B变速箱基础上开发出的产品。该变速箱档位多，传动比大，承载储备系数大，是载重20-30T载货汽车、自卸车、集装箱车的最佳匹配。该变速箱在进入市场使用中，有部分用户反映一、倒档变速叉轴从转换槽端面整齐断裂，导致一、倒档带档摘不下档的现象。为了解决变速叉轴转换槽端面断裂问题，我们对其进行拆箱检查，根据拆箱情况进行分析，提出了改进措施，运用有限元分析软件ANSYS Workbench对变速叉轴的优化结构进行强度、寿命分析，从而得到变速叉轴的最佳设计方案。1、变速叉轴断裂分析经拆箱检查，发现一、倒档变速叉轴断裂，断裂位置在转换槽端面处，如图1所示。断裂平面为转换槽的右端面，从断口形状（图2）可以观察到：1）、变速叉轴转换槽的右端面有明显的挤压变形的痕迹。这说明在换档转换变速过程中变速叉轴受到换档转换摇臂的冲击载荷较大，产生明显的塑性变形。2）、变速叉轴转换槽的右端面加工倒角为R1。由于该处倒角（R1）较小容易导致应力集中，当变速叉轴在工作状态受较大外力作用时，容易在此处产生疲劳裂纹，并导致变速叉轴在该平面产生断裂。 图1 一、倒档变速叉轴断裂位置 图2 断口形状2、变速叉轴优化设计变速叉轴的材料为45#钢（GB/T699-88）。综合拆箱观察并通过变速叉轴断裂原因进行分析，我们针对变速叉轴的材料和结构进行了优化设计，具体措施如下：1）、材料方面：材料由45#钢改为40Cr。40Cr含碳量为0.37%0.44%，比45#钢（0.42%0.50%）略低，Si、Mn的含量相当，含Cr为0.80%1.10%。Cr在热处理中的作用是提高钢的淬透性。由于淬透性提高，调质处理后40Cr的强度、硬度、冲击韧性等机械性能也明显比45#钢高。通过对变速叉轴的材料的改进，使变速叉轴转换槽的右端面的硬度、冲击韧性等机械性能有较大提高，表1为45#钢和40Cr经调质处理后的机械及物理性能的对比。 表1 机械及物理性能牌号抗拉强度MPa屈服强度MPa延伸率（%）断面收缩率（%）冲击韧度（J/cm2）硬度（HRC）45#600355164039455540Cr9807859454750582）、结构方面：变速叉轴直径为25。为了降低换档转换摇臂对变速叉轴转换槽右端面的冲击载荷，在距离变速叉轴转换槽为47的范围内，将变速叉轴的轴径改为30，同时将变速叉轴转换槽根部的倒角由R1改为R2，避免此处产生应力集中。具体改进方案如图3和图4所示： 图3 原设计的模型 图4 优化后的模型 3、变速叉轴有限元分析3.1、建立三维数学模型根据变速叉轴的实际尺寸及变速箱操纵机构的工作状况，应用PRO/E软件对操纵机构建立三维数学模型。由于轴承、锥堵等零件对变速箱操纵机构的有限元分析结果几乎没有影响，对其三维模型进行了简化设计。图5为变速箱操纵机构的三维装配图。图5 变速箱操纵机构的三维装配图 变速箱操纵机构的工作原理：当零件1（换档导块）被施加换档力时，零件3（变速叉轴）将随换档导块进行轴向移动，通过零件2（转换摇臂）进行力的传递，零件4（转换叉轴）也将轴向移动，从而带动零件6（换档拨叉）进行换档。其中零件5是叉轴支撑点处的轴承，对其三维数模做了简化处理。3.2、变速叉轴强度分析分析现租用有限元工作站进行如下数据分析。变速箱的操纵机构通过换档导块推动变速叉轴及变速叉轴带动拨叉进行换档，经变速箱的台架试验并进行换算，能够实现正常换档时换档导块（图5中零件1）处承受的载荷平均值为1700N。利用ANSYS Workbench有限元分析软件进行强度分析，对换档导块处施加载荷，轴承处为固定支撑，通过合理的网格划分和边界条件设定，就可利用ANSYS Workbench软件对优化后的变速叉轴强度进行计算。图6为变速箱操纵机构等效应力状态云图，图7为变速叉轴与转换摇臂接触面应力状态云图。从图6中可以看出变速箱的操纵机构所受Von-Mises应力的变化情况，最大值是230.67MPa, 从图7中可以看出变速叉轴与转换摇臂接触处接触应力变化情况，最大接触应力为265.65MPa。变速叉轴的材料40Cr（GB/T3077-1999）的单向应力屈服强度0.2为785MPa。最大Mises应力和最大接触应力均小于40Cr材料的单向应力屈服点，故40Cr的机械性能满足设计要求。 图6 Equivalent（Von-Mises）Stress云图 图7 Touch Pressure云图3.3、疲劳寿命分析根据对变速叉轴受力及变形状况进行分析，可知变速叉轴疲劳属于高周疲劳，应采用应力-寿命（-N）理论计算疲劳寿命。应用ANSYS Workbench有限元分析软件我们可以得出应力-寿命曲线（S-N曲线），S-N曲线数据是在ANSYS Workbench软件下的材料特性分支下的“交变应力与循环”（“Alternating Stress Vs. Cycles”）选项中输入的，它展示的是应力幅与失效循环次数的关系。图8为变速叉轴的Alternating Stress Vs. Cycles（S-N）曲线，图9为变速叉轴的最小载荷变化幅度50%和最大载荷变化幅度150%的疲劳敏感性曲线。 图8 Alternating Stress Vs. Cycles （S-N）曲线图9 Fatigue Sensitivity曲线当换档导块实际承受的载荷为1700N时，通过图9疲劳敏感性曲线计算其疲劳寿命约是1.2e+5次，正常使用状态下可以满足变速箱的设计要求。另外通过变速叉轴强度分析可知，变速叉轴与转换摇臂接触面处的平均接触应力为100140MPa，通过S-N曲线可以计算出该范围内变速叉轴的使用寿命是1.2e+53.2e+5次。4、结论（1）通过对变速叉轴断裂位置及断口形状进行观察，失效是由疲劳断裂所致。通过对断裂处的分析，给出了变速叉轴的优化设计方案。（2）针对优化后的设计方案，建立三维数模。应用ANSYS Workbench软件对变速箱的操纵机构进行强度分析，得出变速叉轴的最大Mises应力和最大接触应力均小于40Cr的屈服强度。（3）应用ANSYS Workbench软件得出S-N曲线和疲劳敏感性曲线。结合变速叉轴强度分析结果，当换档导块实际承受的载荷为1700N时，变速叉轴的使用寿命为1.2e+5次，可以满足变速箱的设计要求。参考文献1 姚卫星.结构疲劳寿命分析M.北京:国防工业出版社.2003-01.2 张栋.失效分析M.北京:国防工业出版社.2004-05.3 傅中裕,杨晓京.ANSYS的丝杠模态分析J.机械制造与自动化.2004(6):37-39.3 徐延海,贾丽萍,张建武.曲轴的疲劳断裂分析J.机械强度.2002,24(4):594-598.4 詹友刚.PRO/ENGINEER中文野火版3