基于ANSYS的变速器拨叉强度仿真及优化
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研究选择的优化方案为对拨叉应力最为集中 两爪的部位进行结构优化，优化前后对比效果如图 ６所示，将拨叉两爪应力最为集中的部位进行适当 的加宽。为了得到最优的结果，将此部位分别加宽 ２ｍｍ，１．５ｍｍ，１ｍｍ。
２．２ 优化结果
表 ２ 优化前后的结果对比
零件名称
应力大小
原拨叉
４６．１Hale Waihona Puke Baidu９ＭＰａ
优化后拨叉（加宽 ２ｍｍ）
（３）划分网格（节点及单元），选择 Ｍｏｄｅｌ，点击 Ｍｅｓｈ，划分默认的网格。
（４）添加约束，选择 ＳｔａｔｉｃＳｔｒｕｃｔｕｒａｌ（Ａ５），再 点击 Ｓｕｐｐｏｒｔｓ选择 ＲｅｍｏｔｅＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ在受力面 和两叉脚受力面添加约束。
（５）施 加 载 荷 进 行 求 解，点 击 Ｌｏａｄｓ选 择 Ｆｏｒｃｅｓ，施加力。点击 Ｓｏｌｕｔｉｏｎ（Ａ６），点 击 Ｅｑｕｉｖａ ｌｅｎｔＳｔｒｅｓｓ（等效应力），ＥｑｕｉｖａｌｅｎｔＥｌａｓｔｉｃＳｔｒａｉｎ（等 效弹性应 变 ），ＴｏｔａｌＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ（总 变 形 ），获 得 应 力变形云图。
第 ３６卷 第 ３期 佳 木 斯 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版 ） ２０１８ 年 ０５月 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｍｕｓｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）
文章编号：１００８－１４０２（２０１８）０３－０３８７－０３
Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．３ Ｍａｙ ２０１８
基于 ＡＮＳＹＳ的变速器拨叉强度仿真及优化①
归文强
（西安航空学院汽车检测工程技术研究中心，陕西 西安 ７１００７７）
摘 要： 为保证变速器拨叉具有足够的强度，以确保换挡平顺、档位清晰以及行车安全，利用 ＣＡＴＩＡ对某微型车的变速器三四档拨叉建立了三维模型，然后利用 ＡＮＳＹＳ对该模型进行了静强 度分析，得到了应力与变形的分布云图。从分析结果来看，拨叉最薄弱的地方为固定拨叉轴的圆 柱部件与拨叉两爪相交的部位。根据分析结果提出了优化方案，将拨叉两爪较薄的部位加宽。 重新建模并分析验证，其应力大小由原来的 ４６．１５９ＭＰａ变成 ４０．６６７ＭＰａ，相比优化前的应力明 显减少，强度得到了提高。 关键词： 变速器拨叉；强度；ＣＡＴＩＡ；ＡＮＳＹＳ；优化 中图分类号： ＴＨ１３６ 文献标识码： Ａ
研究的拨叉添加的材料属性如表 １所示。
图 ８ 优化拨叉应力云图
图 ９ 优化拨叉应力云图
１．３ 分析结果 零件受到载荷后的应力云图如下。从下图中
可以看出，该拨叉所受的最大应力为 ４６．１５９ＭＰａ， 主要集中在固定拨叉轴的圆柱部件与两爪相交的 部位。如图 ５所示。
第 ３期
归文强：基于 ＡＮＳＹＳ的变速器拨叉强度仿真及优化
图 ３ 变速器拨叉的三维模型
图 ４ 拨叉的网格图
图 ６ 拨叉结构优化模型
图 ５ 拨叉应力云图
图 ７ 优化拨叉应力云图
１．２ 有限元分析
（１）创建或导入几何模型，使用 ＣＡＴＩＡ建立的 拨叉模型，故在 ＣＡＴＩＡ中保存的时候选择“ｓｔｐ”格 式。导入转变格式后的拨叉模型。
（２）定义材料属性，添加材料，材料的密度，弹 性模量，泊松比。
０ 引 言
汽车变速箱传动机构中的换挡拨叉作为汽车 换挡结构最重要的一部分，它的性能优劣，始终让 设计师和驾驶员十分重视［１］。近年来传动机构性 能指标也在逐渐上升，而传动机构中最关键的变速 器拨叉，它的强度优劣在很大程度上影响着变速器 的正常运转，影响传动机构的安全性和持久性［２］。 实际中因变速器拨叉的强度不够发生了断裂等事 故，严重影响换挡的平顺性和安全性，而变速器的 失效使车 内 乘 员 的 安 全 面 临 很 大 的 威 胁［３］，故 以 某微型车上的变速器拨叉为研究对象，对其进行强 度分析并优化，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。研究的技术路线如 图 １所示，研究的变速器拨叉实物如图 ２所示。
１ 建模与仿真
图 １ 拟采用的技术路线
１．１ 建 模
经过对拨叉的参数测量后使用三维建模软件 ＣＡＴＩＡ对 该 实 物 进 行 三 维 建 模，所 用 相 关 功 能 特 征包括：草图、拉伸、挖槽、参考点、参考线、参考面、 倒圆角、倒直角等，首先建立脚叉及拨叉轴两个零 部件，然后 使 用 装 配 模 块 将 脚 叉 固 定 后 导 入 拨 叉 轴，然后装配成型。建好的三维模型如图 ３所示。
图 ２ 拨叉实物图
① 收稿日期：２０１８－０３－２８ 作者简介：归文强（１９９１－），男，陕西乾县人，助教，硕士，研究方向：汽车综合性能检测。
３８８
佳 木 斯 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
２０１８年
表 １ 拨叉的材料属性
材料名称 ４５＃钢
弹性模量（Ｍｐａ） 泊松比
２．１０Ｅ＋８
０．３０
密度（Ｔｏｎ／ｍｍ３） ７．８０Ｅ－９
此次分析添加约束情况为，根据拨叉实际约 束情况只能向 Ｚ轴负方向移动，不能轴向转动，因 此约束 ＸＹ方向上的移动和转动，约束 Ｚ方向上的 转动。
研究的拨叉划分的网格采用四面体网格，共划 分了 ４１７１个单元，７６７５个节点），最后划分的网格 如图 ４所示。
３８９
２ 拨叉的优化
２．１ 优化方案
结构优化的研究分为三个层次：结构尺寸优化 （ＳｉｚｉｎｇＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）、结构形 状 优 化 （ＳｈａｐｅＯｐｔｉ ｍｉｚａｔｉｏｎ）和 结 构 拓 扑 优 化 （Ｔｏｐｏｌｏｇｙ Ｏｐｔｉｍｉｚａ ｔｉｏｎ）［４］。结构 尺 寸 优 化 已 基 本 成 熟，结 构 形 状 优 化比结构尺寸优化困难一些，仍处于发展阶段，而 结构拓扑优化非常困难，被认为是最具挑战性的课 题，在工程设计中尚处在探索性的阶段［５］。
４０．６６７ＭＰａ
优化后拨叉（加宽 １．５ｍｍ）
４４．７０６ＭＰａ
优化后拨叉（加宽 １ｍｍ）
４７．１３６ＭＰａ
３ 结 论
（１）经过 优 化 分 析 且 结 合 多 次 优 化 前 后 的 结 果对比，可 以 看 出 在 不 考 虑 拨 叉 的 装 配 问 题 前 提 下，对拨叉强度最薄弱部件进行加宽 ２ｍｍ的优化 方案最为有效，拨叉应力减少了 ５．４９２Ｍｐａ，减少幅 度为 １１．９％，即该方法能够大幅度降低应力集中 现象，使强度得到优化。
２．２ 优化结果
表 ２ 优化前后的结果对比
零件名称
应力大小
原拨叉
４６．１Hale Waihona Puke Baidu９ＭＰａ
优化后拨叉（加宽 ２ｍｍ）
（３）划分网格（节点及单元），选择 Ｍｏｄｅｌ，点击 Ｍｅｓｈ，划分默认的网格。
（４）添加约束，选择 ＳｔａｔｉｃＳｔｒｕｃｔｕｒａｌ（Ａ５），再 点击 Ｓｕｐｐｏｒｔｓ选择 ＲｅｍｏｔｅＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ在受力面 和两叉脚受力面添加约束。
（５）施 加 载 荷 进 行 求 解，点 击 Ｌｏａｄｓ选 择 Ｆｏｒｃｅｓ，施加力。点击 Ｓｏｌｕｔｉｏｎ（Ａ６），点 击 Ｅｑｕｉｖａ ｌｅｎｔＳｔｒｅｓｓ（等效应力），ＥｑｕｉｖａｌｅｎｔＥｌａｓｔｉｃＳｔｒａｉｎ（等 效弹性应 变 ），ＴｏｔａｌＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ（总 变 形 ），获 得 应 力变形云图。
第 ３６卷 第 ３期 佳 木 斯 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版 ） ２０１８ 年 ０５月 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｍｕｓｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）
文章编号：１００８－１４０２（２０１８）０３－０３８７－０３
Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．３ Ｍａｙ ２０１８
基于 ＡＮＳＹＳ的变速器拨叉强度仿真及优化①
归文强
（西安航空学院汽车检测工程技术研究中心，陕西 西安 ７１００７７）
摘 要： 为保证变速器拨叉具有足够的强度，以确保换挡平顺、档位清晰以及行车安全，利用 ＣＡＴＩＡ对某微型车的变速器三四档拨叉建立了三维模型，然后利用 ＡＮＳＹＳ对该模型进行了静强 度分析，得到了应力与变形的分布云图。从分析结果来看，拨叉最薄弱的地方为固定拨叉轴的圆 柱部件与拨叉两爪相交的部位。根据分析结果提出了优化方案，将拨叉两爪较薄的部位加宽。 重新建模并分析验证，其应力大小由原来的 ４６．１５９ＭＰａ变成 ４０．６６７ＭＰａ，相比优化前的应力明 显减少，强度得到了提高。 关键词： 变速器拨叉；强度；ＣＡＴＩＡ；ＡＮＳＹＳ；优化 中图分类号： ＴＨ１３６ 文献标识码： Ａ
研究的拨叉添加的材料属性如表 １所示。
图 ８ 优化拨叉应力云图
图 ９ 优化拨叉应力云图
１．３ 分析结果 零件受到载荷后的应力云图如下。从下图中
可以看出，该拨叉所受的最大应力为 ４６．１５９ＭＰａ， 主要集中在固定拨叉轴的圆柱部件与两爪相交的 部位。如图 ５所示。
第 ３期
归文强：基于 ＡＮＳＹＳ的变速器拨叉强度仿真及优化
图 ３ 变速器拨叉的三维模型
图 ４ 拨叉的网格图
图 ６ 拨叉结构优化模型
图 ５ 拨叉应力云图
图 ７ 优化拨叉应力云图
１．２ 有限元分析
（１）创建或导入几何模型，使用 ＣＡＴＩＡ建立的 拨叉模型，故在 ＣＡＴＩＡ中保存的时候选择“ｓｔｐ”格 式。导入转变格式后的拨叉模型。
（２）定义材料属性，添加材料，材料的密度，弹 性模量，泊松比。
０ 引 言
汽车变速箱传动机构中的换挡拨叉作为汽车 换挡结构最重要的一部分，它的性能优劣，始终让 设计师和驾驶员十分重视［１］。近年来传动机构性 能指标也在逐渐上升，而传动机构中最关键的变速 器拨叉，它的强度优劣在很大程度上影响着变速器 的正常运转，影响传动机构的安全性和持久性［２］。 实际中因变速器拨叉的强度不够发生了断裂等事 故，严重影响换挡的平顺性和安全性，而变速器的 失效使车 内 乘 员 的 安 全 面 临 很 大 的 威 胁［３］，故 以 某微型车上的变速器拨叉为研究对象，对其进行强 度分析并优化，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。研究的技术路线如 图 １所示，研究的变速器拨叉实物如图 ２所示。
１ 建模与仿真
图 １ 拟采用的技术路线
１．１ 建 模
经过对拨叉的参数测量后使用三维建模软件 ＣＡＴＩＡ对 该 实 物 进 行 三 维 建 模，所 用 相 关 功 能 特 征包括：草图、拉伸、挖槽、参考点、参考线、参考面、 倒圆角、倒直角等，首先建立脚叉及拨叉轴两个零 部件，然后 使 用 装 配 模 块 将 脚 叉 固 定 后 导 入 拨 叉 轴，然后装配成型。建好的三维模型如图 ３所示。
图 ２ 拨叉实物图
① 收稿日期：２０１８－０３－２８ 作者简介：归文强（１９９１－），男，陕西乾县人，助教，硕士，研究方向：汽车综合性能检测。
３８８
佳 木 斯 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
２０１８年
表 １ 拨叉的材料属性
材料名称 ４５＃钢
弹性模量（Ｍｐａ） 泊松比
２．１０Ｅ＋８
０．３０
密度（Ｔｏｎ／ｍｍ３） ７．８０Ｅ－９
此次分析添加约束情况为，根据拨叉实际约 束情况只能向 Ｚ轴负方向移动，不能轴向转动，因 此约束 ＸＹ方向上的移动和转动，约束 Ｚ方向上的 转动。
研究的拨叉划分的网格采用四面体网格，共划 分了 ４１７１个单元，７６７５个节点），最后划分的网格 如图 ４所示。
３８９
２ 拨叉的优化
２．１ 优化方案
结构优化的研究分为三个层次：结构尺寸优化 （ＳｉｚｉｎｇＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）、结构形 状 优 化 （ＳｈａｐｅＯｐｔｉ ｍｉｚａｔｉｏｎ）和 结 构 拓 扑 优 化 （Ｔｏｐｏｌｏｇｙ Ｏｐｔｉｍｉｚａ ｔｉｏｎ）［４］。结构 尺 寸 优 化 已 基 本 成 熟，结 构 形 状 优 化比结构尺寸优化困难一些，仍处于发展阶段，而 结构拓扑优化非常困难，被认为是最具挑战性的课 题，在工程设计中尚处在探索性的阶段［５］。
４０．６６７ＭＰａ
优化后拨叉（加宽 １．５ｍｍ）
４４．７０６ＭＰａ
优化后拨叉（加宽 １ｍｍ）
４７．１３６ＭＰａ
３ 结 论
（１）经过 优 化 分 析 且 结 合 多 次 优 化 前 后 的 结 果对比，可 以 看 出 在 不 考 虑 拨 叉 的 装 配 问 题 前 提 下，对拨叉强度最薄弱部件进行加宽 ２ｍｍ的优化 方案最为有效，拨叉应力减少了 ５．４９２Ｍｐａ，减少幅 度为 １１．９％，即该方法能够大幅度降低应力集中 现象，使强度得到优化。