一种基于Abaqus的拨叉强度优化设计

摘 要：本文以离合器分离拨叉为研究对象，运用Creo Parametric4.0三维建模软件对拨叉产品进行建模， 通过中性格式 STP 文件类型将实体数模导入 ABAQUS 软件环境中计算分析极限工况下拨叉关键结构的强度。结果表明强度存在问题，根据薄弱环节对其进行了优化，改良结果符合指标要求。

关键词：拨叉强度;ABAQUS/Standard ;有限元分析

0 引言

离合器分离拨叉是在汽车传动系统中广泛应用的一种关键零件之一。其长期处于冲击和磨损的工况下，因此要求具有较高的耐磨性和抗冲击性能以及一定的强度和硬度要求。若工作中出现损坏和断裂的情况，则严重影响到整车动力传递系统的的正常工作，为车辆的安全行驶造成威胁。作为世界领先的有限元工程模拟软件，Abaqus不仅具有友好的用户使用和操作界面，更具备强大的分析功能。使用Abaqus/Standard静力分析方法，可以在产品设计的过程中获得详细而具体的强度刚度等情况，用于指导设计，为优化产品的结构和材料提供重要参考依据。本文基于Abaqus分析软件在离合器分离拨叉的设计过程中对其进行强度校核并根据计算结果对其结构进行优化。

1 背景描述

应客户需求，开发设计一款拉式离合器分离拨叉，要求承受的最大分离力为10000N。应用Creo三维软件进行拨叉结构的三维设计，其工作原理及零件三维结构如下图1所示。

离合器工作时，助力缸输出力推动推杆，作用在分离拨叉的一端，关节轴承作为支点，使分离拨叉转动，分离拨叉与分离轴承接触，推动分离轴承使离合器分离。以助力缸作用端到回转中心的距离与分离轴承作用端到回转中心的距离的比值为杠杆比，根据杠杆原理计算，拨叉受到的助力缸最大推力FP=5673N。

2 强度分析

机械强度指材料受外力作用时，其单位面积上所能承受的最大负荷。一般用抗弯（抗折）强度、抗拉（抗张）强度、抗压强度等来表示。根据应用工况，离合器分离拨叉应主要考虑其抗压强度。此拨叉零件的材料牌号情况：材料45#，屈服极限355MPa，许用屈服应力295.8MPa。

首先，根据已有三维模型，通过中性格式STP文件类型将实体数模导入ABAQUS软件。考虑到拨叉的结构相对简单，对拨叉模型不作任何简化，而与之连接的其他零部件不进行建模，简化为约束和载荷作用在拨叉上。载荷及边界条件施加如图2所示。将旋转中心耦合于一点，固定其他自由度，仅保留绕分离拨叉轴旋转自由度;将分离拨叉叉脚处的自由度固定，限制其沿施力方向的位移，同时将助力缸作用面耦合于一点，在其上施加作用力FP。其次在ABAQUS软件内进行网格划分，建立拨叉有限元计算模型。网格划分是CAE分析前处理中的主要工作，网格划分的质量和优劣将对计算结果精度产生相当大的影响，质量太差的网格甚至会中止计算。本计算网格划分使用二阶四面体单元C3D10M，单元尺寸2mm之间。在模型尖角或者拐角处，适当增多种子的数量，在拐角处网格层数不低于5。最终得到拨叉的有限元模型，如图2所示。

经过计算，CAE-001的最大应力为470MPa，大于材料的屈服强度355MPa，此结构是不安全的，危险点位置如上图所示。因此需要对现有结构进行调整。拨叉的最大应力值大于其安全应力，该设计不满足强度要求。拨叉此处宽度或者厚度的设计值可能较小，使得拨叉应力值超过安全应力，导致强度不满足要求。

3 强度优化

影响原设计方案的主要因素是强度不足，因此通过提高拨叉强度，使其满足设计要求。针对离合器分离拨叉个别部位应力较大，超出了其材料的屈服极限的问题，调整优化拨叉的结构。提高强度的措施包括两部分，一是在拨叉应力最大处调整设计尺寸，对薄弱部分适当的增加其宽度和厚度数值;二是适当增加拨叉过度圆角，避免应力集中来提高强度。施加同样的载荷及边界条件条件，对改进后的零件再次进行分析，结果如图3。

结构改进后零件的最大应力为340MPa，远小于改进前零件的最大应力470MPa，同时也小于此材料的屈服极限355MPa。

（1）经过优化分析且结合优化前后的结果对比，可以看出在不考虑拨叉的其它受力情况前提下，对拨叉强度最薄弱区域进行加宽加厚的优化方案是有效，拨叉应力减少了1305MPa，减少幅度为27.7%，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）对比拨叉优化前后的应力分布图，拨叉最薄弱位置始终出现在相同的位置，在后续的同类拨叉产品设计中，此处应重点关注。

4 结语

本文运用ABAQUS软件，对根据客户需求设计出离合器分离拨叉零件进行应力分析，发现该拨叉的强度薄弱区域，并针对此區域进行相应的结构调整，提高此处的强度，同时减少应力集中。最后设计出来的拨叉强度达到设计要求，能够满足实际应用需求。

作为一种有效的分析方法，有限元分析在机械产品的设计过程中已经得到了广泛的应用。利用各分析软件的强大功能，在设计之初即对产品结构从强度、刚度等各角度进行分析，以验证设计是否满足要求，减少了零件使用中出现失效的概率。

参考文献：

[1]徐石安，江发潮.汽车离合器[M].北京：清华大学出版社，2005（08）：160-179.

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