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基于OptiStruct新能源变速器驻车机构接触非线性分析

2018/10/31    来源:Altair    作者:杨毅超  冯楠      
关键字:新能源变速器  驻车机构  OptiStruct  
本文以某新能源变速器的驻车机构为例,利用Altair的OptiStruct求解器对不同工况下驻车棘轮和棘爪进行接触非线性分析,分析结果满足强度要求,具有一定的参考意义。

1 概述

    驻车机构是新能源变速器中防止车辆滑行的一种安全装置,用于使汽车可靠而无时间限制地停留在一定位置甚至斜坡上,是新能源变速器中不可或缺的关键机构。

    驻车机构要求能够实现以下功能:(1)汽车以5Km/h以下车速行驶时,驻车机构能够实现安全驻车;(2)当汽车处于非驻车工况下,发生任何异常情况,驻车机构不能自动驻车;(3)当汽车实现驻车后,驻车机构不能自动脱档,从而导致驻车功能失效;(4)当汽车需要行驶时,驻车机构能够使汽车顺利摘出P档。

    由于驻车机构涉及整车安全问题,故对其进行强度校核分析具重要意义。本文以某新能源变速器的驻车机构为研究对象,如图1所示,驻车时,档位轴带动驻车推杆上的凸轮沿驻车导向板直线运动,从而推动驻车棘爪与驻车棘轮啮合,锁死变速器输出端,实现驻车功能。

某新能源变速器驻车机构

图1 某新能源变速器驻车机构

    其中1为驻车导向板,2为驻车推杆总成,3为档位轴总成,4为驻车棘爪,5为驻车棘轮,6为驻车棘爪销,7为驻车棘爪回位弹簧。

2 有限元模型的建立

    根据驻车机构的工作原理,对驻车机构进行分析时需要考虑上坡和下坡两种工况。不同工况下,驻车棘爪和驻车棘轮的接触面不同,零部件的受力形式不同,但分析方法一致,本文以下坡工况为例,上坡工况采用相同的分析方法。由于驻车机构中棘爪和棘轮是主要的受力部件,因此,本文主要对棘爪和棘轮的强度进行分析。根据受力关系对原驻车机构的模型进行简化,保留了驻车棘轮、驻车棘爪、凸轮和棘爪销四个主要受力部件,如图2所示。

驻车机构简化模型

图2 驻车机构简化模型

    2.1 网格划分

    运用Altair公司的前处理工具HyperMesh对简化的驻车机构模型进行网格划分,本文采用十节点四面体网格进行离散,网格划分节点数和单元数见表1。

表1 模型节点数和单元数

模型节点数和单元数

    2.2 材料与属性

    本文驻车机构的棘轮、棘爪、凸轮和棘爪销的材料均为20CrMnTiH,其弹性模量为206GPa,泊松比为0.3,密度为7.9g/mm^3,屈服强度为835MPa,抗拉强度为1080MPa。

    2.3 建立接触对

    本文分析模型中含有3个接触对,分别为棘轮与棘爪的面接触、棘爪与凸轮的面接触和棘爪与棘爪销的面接触。以棘轮和棘爪的接触对为例,首先在接触面区域通过HyperMesh中的Contactsurfs分别在棘轮和棘爪上建立接触面,然后创建Interfaces,选择主动面和从动面,最后通过Pcont建立接触面属性,其中摩擦系数为0.12。

    2.4 建立约束和载荷

    由于驻车棘轮通过过盈配合压装在变速器输入轴上,因此约束棘轮内孔表面的径向和轴向自由度,放开其绕Z轴的切向自由度;由于棘爪销的两端固定在箱体上,因此棘爪销两端全约束;由于棘爪回位弹簧可以防止棘爪沿Z轴平动,因此在棘爪与回位弹簧的接触区域约束Z向的平动;由于凸轮仅能在驻车导向板内沿轴向运动,故放开其沿X轴的平动,约束其它方向的自由度。

    驻车棘轮承受的扭矩与整车满载质量、车轮半径、驻车坡度和变速器速比有关,通过公式计算,本文驻车棘轮所承受的最大扭矩为197Nm,通过RB3单元在棘轮内孔上施加197Nm绕Z轴正方向的扭矩。驻车机构下坡工况的有限元模型如图3所示。

驻车机构下坡工况的有限元模型

图3 驻车机构下坡工况的有限元模型

    2.5 求解

    建立非线性分析控制卡片Nlparm,利用OptiStruct求解器进行求解。

3 结果与分析

    根据以往同类产品试验反馈的结果,棘轮棘爪接触区域的根部容易发生弯曲破坏,因此本次分析重点关注该区域的强度水平。图4为下坡工况下棘轮棘爪关注部位的应力云图,图5为上坡工况下棘轮棘爪关注部位的应力云图,将计算结果列于表2。

下坡工况下棘轮棘爪关注部位应力云图

图4 下坡工况下棘轮棘爪关注部位应力云图

上坡工况下棘轮棘爪关注部位应力云图

图5 上坡工况下棘轮棘爪关注部位应力云图

表2 分析结果

分析结果

    由表2中数据可知:两种工况下,棘轮关注部位最大VonMises应力为171.295MPa,最小安全系数为4.9,棘爪关注部位的最大VonMises应力为223.468MPa,最小安全系数为3.7,均满足最小安全系数大于2.5的设计要求,该驻车机构棘轮棘爪强度满足设计要求。该驻车机构棘轮棘爪在后续台架试验和路试过程中未发生断裂,进一步证实了分析的可信性。

4 结论

    本文利用Altair的OptiStruct求解器对某新能源变速器驻车机构的棘轮和棘爪进行接触非线性分析,验证了其强度水平满足设计要求,该仿真分析方法可以为分析评价变速器驻车机构的强度表现提供参考。

责任编辑:程玥
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