解析变速器拨叉CAE优化设计与试验验证_变速箱测试
在HyperWorks平台下，根据有限元方法及拓扑优化理论，对某变速器拨叉结构进行拓扑优化，在一定体积内取得最佳的材料分布，使得刚度最大。优化后进行CAD模型重建，加工样件，通过疲劳寿命验证，验证其寿命足够。
由于环境的不断恶化、能源越来越紧张，目前生产的汽车尤为注重油耗。随着发动机、变速器及传动部件的不断优化，单纯从动力总成来节油已很困难，而与油耗很大关联的是车重，汽车燃料约60%消耗于汽车的自重，每减轻10%，可降低油耗6%~8%[1]。而且汽车太重也影响加速性能，自重较大的汽车需要匹配较大功率的发动机，所以轻量化设计在汽车行业已经得到广泛关注。
本文基于有限元方法及拓扑优化理论，在HyperWorks平台下对某拨叉进行拓扑优化，通过MSC.Fatigue软件及拨叉疲劳寿命台架，验证优化后结构的寿命是否足够。
1 有限元分析
1.1拨叉工况
拨叉是变速器内的换档零件，用于推动齿套，改变档位，如图1所示，换档时力传到拨块上，拨块带动拨叉轴移动，拨叉轴带动拨叉，拨叉推动齿套变换啮合齿轮改变传递路径，从而实现换档。
根据实际情况，拨块受力沿轴向移动，拨叉口推动齿套，转换成有限元模型后约束及载荷如图2所示，坐标为笛卡尔坐标，在叉口三个受力面上施加三个沿Z向的力，孔内约束X、Y两个方向，使拨叉只能沿轴向运动，拨块受力处约束Z方向，使拨叉达到平衡。
拨叉要实现换档要求，图2红色部分形状不能改变，因为它们的结构形状一旦改变则不能实现换档，所以在优化计算时红色部位不参与优化。
1.2有限元模型的建立
1.2.1 建立设计边界
根据布置情况利用CAD软件建立设计边界模型，如图3所示。
1.2.2 优化前处理
（1）网格划分：将建立的拓扑优化边界导入HyperMesh划分网格，单元类型采用一阶四面体单元，最终网格划分情况如图4所示。
（2）添加材料：创建出各向同性金属材料，参考手册或询问供应商得知其弹性模量及泊松比，如图5所示。
（3）设置属性：划分优化区域及非设计区域，因为拓扑优化区域是由属性来识别的，所以通过多个属性可区分设计及非设计区域，本例中将拨块、拨叉口三个凸台设置为非设计区域，其他为设计区域，如图6所示。
（4）建立边界条件：拨叉工作时沿轴向移动，所以约束拨叉孔X、Y两个方向的自由度，当拨叉沿Z正向移动时，约束拨块下接触面，当拨叉沿Z向负向移动时，约束拨块上接触面，Loadtype选择SPC,结果如图7所示。
（5）施加载荷：根据已有变速器参数计算出换档力，由于一个拨叉控制两个档位，所以把拨叉分成两个工况进行加载，工况1是力加在拨叉三个凸台上表面，力沿Z轴负方向，工况2是力加在拨叉三个凸台下表面，力沿Z轴正方向，两个Load施加如图8所示。
（6）建立工况：利用上两步所创建出的边界条件及载荷分别组合起来创建出拨叉沿Z轴正向移动和Z轴负向移动两种工况，分别定义为up和down两个Loadstep如图9所示。
（7） 建立拓扑优化变量：进入Optimization模块Topology菜单选择设计区域属性，类型选择PSOLID创建优化变量，进入Draw面板设置拔模方式为SPLIT选择从叉口中心面往轴向两侧拔模。
（8）建立优化响应：进入response面板建立类型为Volume响应，确认Regional/Total置于Total，创建VOL响应。在response面板建立类型为StaticDisplacement响应，Nodes分别选在拨叉的叉口四角处，分别定义为disp1~disp4，如图10所示，因为该4处在受力时变形最大，由这4处的刚度来优化拨叉的形状。
（9）建立优化约束：进入Dconstraints面板选择上一步所建立的类型为disp1~disp4的响应，设置其上限/下限值0.1，如图11所示。
（10）建立优化目标：进入Objective面板，选择所创建的类型为Volume的响应设置其目标为Min。
（11）设置辅助卡片：根据需要，可以设置一些辅助卡片，比如SCREEN卡片，PARAM 卡片。
2 优化求解
保存.fem 文件，设置合适的内存空间后调用OptiStruct解算器进行求解。经过28步的迭代，结果收敛。打开HyperView查看结果，将单元密度阀值设置为0.3，结果如图12所示。
3 CAD模型的重建
参考输出的结果，利用CAD软件对拨叉进行参数化重建，结果如图13所示。
4 模型验证
重建的CAD模型必须要经过CAE分析方可冻结，关于CAE分析步骤，此处从略。下面主要将模型结构及CAE结果与原方案进行对比。
从应力和刚度来看，拨叉优化前后都满足设计要求，为了验证优化后的拨叉是否能达到变速器的寿命要求，所以还需做疲劳试验。
5 疲劳寿命验证
拨叉的设计寿命一般要求与变速器的寿命一致或略大于变速器的寿命，转换过来为循环换档20万次。疲劳寿命验证分虚拟验证和台架验证。
5.1虚拟验证
以MSC.Fatigue疲劳分析软件为主，由于不知道拨叉材料的S-N曲线，现用拨叉材料的抗拉极限及弹性模量模拟一条S-N曲线，进行疲劳寿命预估。按正常变速器换档力350N计算，拨叉寿命为无限寿命，如图16所示：
为了使拨叉更可靠，考虑操作者的力量不同，设它的安全系数为3，按正常换档力的三倍（1050N）进行计算，它的寿命为25万次循环，结果如图17所示：
从图17上可以看出，疲劳最薄弱点在加强筋位置，它的寿命也大于变速器的20万次循环要求。
5.2台架验证
台架结构如下图18所示。按正常换档力350N进行加载，进行双向换档疲劳试验，模拟换档循环22万次后，拆下拨叉进行观察，发现拨叉无任何损伤，可以确定拨叉寿命满足要求。
本文利用OptiStruct软件在不影响拨叉强度、刚度和寿命的条件下，优化拨叉铝合金的材料分布，减少材料用量。将优化后的结构三维重新建模，用MSC.Fatigue软件进行疲劳寿命预估，计算拨叉寿命是否足够。CAE计算寿命足够后再加工零件样件，进行台架试验，优化后的拨叉通过了台架试验，证明寿命足够，满足使用要求。
虚拟验证零件寿命足够后，再做实物进行验证，可以节省试制和试验成本。虚拟验证结果可以作为实验验证的参考，适当时候也可代替实验验证。随着燃油价格的普遍上涨，车辆轻量化设计已经越来越被各OEM厂家重视，通过对整车各零件的优化，大大减轻整车质量是可行的，同时安全性也不会打任何折扣。
由于环境的不断恶化、能源越来越紧张，目前生产的汽车尤为注重油耗。随着发动机、变速器及传动部件的不断优化，单纯从动力总成来节油已很困难，而与油耗很大关联的是车重，汽车燃料约60%消耗于汽车的自重，每减轻10%，可降低油耗6%~8%[1]。而且汽车太重也影响加速性能，自重较大的汽车需要匹配较大功率的发动机，所以轻量化设计在汽车行业已经得到广泛关注。
本文基于有限元方法及拓扑优化理论，在HyperWorks平台下对某拨叉进行拓扑优化，通过MSC.Fatigue软件及拨叉疲劳寿命台架，验证优化后结构的寿命是否足够。
1 有限元分析
1.1拨叉工况
拨叉是变速器内的换档零件，用于推动齿套，改变档位，如图1所示，换档时力传到拨块上，拨块带动拨叉轴移动，拨叉轴带动拨叉，拨叉推动齿套变换啮合齿轮改变传递路径，从而实现换档。
根据实际情况，拨块受力沿轴向移动，拨叉口推动齿套，转换成有限元模型后约束及载荷如图2所示，坐标为笛卡尔坐标，在叉口三个受力面上施加三个沿Z向的力，孔内约束X、Y两个方向，使拨叉只能沿轴向运动，拨块受力处约束Z方向，使拨叉达到平衡。
拨叉要实现换档要求，图2红色部分形状不能改变，因为它们的结构形状一旦改变则不能实现换档，所以在优化计算时红色部位不参与优化。
1.2有限元模型的建立
1.2.1 建立设计边界
根据布置情况利用CAD软件建立设计边界模型，如图3所示。
1.2.2 优化前处理
（1）网格划分：将建立的拓扑优化边界导入HyperMesh划分网格，单元类型采用一阶四面体单元，最终网格划分情况如图4所示。
（2）添加材料：创建出各向同性金属材料，参考手册或询问供应商得知其弹性模量及泊松比，如图5所示。
（3）设置属性：划分优化区域及非设计区域，因为拓扑优化区域是由属性来识别的，所以通过多个属性可区分设计及非设计区域，本例中将拨块、拨叉口三个凸台设置为非设计区域，其他为设计区域，如图6所示。
（4）建立边界条件：拨叉工作时沿轴向移动，所以约束拨叉孔X、Y两个方向的自由度，当拨叉沿Z正向移动时，约束拨块下接触面，当拨叉沿Z向负向移动时，约束拨块上接触面，Loadtype选择SPC,结果如图7所示。
（5）施加载荷：根据已有变速器参数计算出换档力，由于一个拨叉控制两个档位，所以把拨叉分成两个工况进行加载，工况1是力加在拨叉三个凸台上表面，力沿Z轴负方向，工况2是力加在拨叉三个凸台下表面，力沿Z轴正方向，两个Load施加如图8所示。
（6）建立工况：利用上两步所创建出的边界条件及载荷分别组合起来创建出拨叉沿Z轴正向移动和Z轴负向移动两种工况，分别定义为up和down两个Loadstep如图9所示。
（7） 建立拓扑优化变量：进入Optimization模块Topology菜单选择设计区域属性，类型选择PSOLID创建优化变量，进入Draw面板设置拔模方式为SPLIT选择从叉口中心面往轴向两侧拔模。
（8）建立优化响应：进入response面板建立类型为Volume响应，确认Regional/Total置于Total，创建VOL响应。在response面板建立类型为StaticDisplacement响应，Nodes分别选在拨叉的叉口四角处，分别定义为disp1~disp4，如图10所示，因为该4处在受力时变形最大，由这4处的刚度来优化拨叉的形状。
（9）建立优化约束：进入Dconstraints面板选择上一步所建立的类型为disp1~disp4的响应，设置其上限/下限值0.1，如图11所示。
（10）建立优化目标：进入Objective面板，选择所创建的类型为Volume的响应设置其目标为Min。
（11）设置辅助卡片：根据需要，可以设置一些辅助卡片，比如SCREEN卡片，PARAM 卡片。
2 优化求解
保存.fem 文件，设置合适的内存空间后调用OptiStruct解算器进行求解。经过28步的迭代，结果收敛。打开HyperView查看结果，将单元密度阀值设置为0.3，结果如图12所示。
3 CAD模型的重建
参考输出的结果，利用CAD软件对拨叉进行参数化重建，结果如图13所示。
4 模型验证
重建的CAD模型必须要经过CAE分析方可冻结，关于CAE分析步骤，此处从略。下面主要将模型结构及CAE结果与原方案进行对比。
从应力和刚度来看，拨叉优化前后都满足设计要求，为了验证优化后的拨叉是否能达到变速器的寿命要求，所以还需做疲劳试验。
5 疲劳寿命验证
拨叉的设计寿命一般要求与变速器的寿命一致或略大于变速器的寿命，转换过来为循环换档20万次。疲劳寿命验证分虚拟验证和台架验证。
5.1虚拟验证
以MSC.Fatigue疲劳分析软件为主，由于不知道拨叉材料的S-N曲线，现用拨叉材料的抗拉极限及弹性模量模拟一条S-N曲线，进行疲劳寿命预估。按正常变速器换档力350N计算，拨叉寿命为无限寿命，如图16所示：
为了使拨叉更可靠，考虑操作者的力量不同，设它的安全系数为3，按正常换档力的三倍（1050N）进行计算，它的寿命为25万次循环，结果如图17所示：
从图17上可以看出，疲劳最薄弱点在加强筋位置，它的寿命也大于变速器的20万次循环要求。
5.2台架验证
台架结构如下图18所示。按正常换档力350N进行加载，进行双向换档疲劳试验，模拟换档循环22万次后，拆下拨叉进行观察，发现拨叉无任何损伤，可以确定拨叉寿命满足要求。
本文利用OptiStruct软件在不影响拨叉强度、刚度和寿命的条件下，优化拨叉铝合金的材料分布，减少材料用量。将优化后的结构三维重新建模，用MSC.Fatigue软件进行疲劳寿命预估，计算拨叉寿命是否足够。CAE计算寿命足够后再加工零件样件，进行台架试验，优化后的拨叉通过了台架试验，证明寿命足够，满足使用要求。
虚拟验证零件寿命足够后，再做实物进行验证，可以节省试制和试验成本。虚拟验证结果可以作为实验验证的参考，适当时候也可代替实验验证。随着燃油价格的普遍上涨，车辆轻量化设计已经越来越被各OEM厂家重视，通过对整车各零件的优化，大大减轻整车质量是可行的，同时安全性也不会打任何折扣。
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