拖拉機變速箱撥叉的拓撲優化研究

1引言

撥叉^]應用于拖拉機的變速箱的換擋機構中。當需要變速時，操縱變速桿，變速操縱機構就通過撥叉頭部的操縱孔帶動撥叉與變速叉軸一起在變速箱中滑移，撥叉腳撥動雙聯變換齒輪在花鍵軸上滑動以改換檔位，從而改變拖拉機的行駛速度。作為變速器的重要部件，撥叉不僅要有足夠的剛度、強度，還要有良好的可靠性。撥叉輕量化的趨勢要求各類鑄件在滿足強度要求的情況下質量最小化。

本文對靜力作用下拖拉機變速箱撥叉進行了拓撲優化。

4 變速器撥叉的拓撲優化

SolidThinking Inspire采用美國Altair公司先進的OptiStruct優化求解器，根據給定的設計空間、材料屬性及受力需求生成理想的形狀，根據軟件生成的結果進行再設計。應用Inspire進行前期概念設計，既能提升產品的結構質量，同時又奠定了優越的結構基礎，從而提升了整個設計流程的效率。

將模型導入SolidThinking Inspire中，如圖4所示。將中間部分定義為變速箱撥叉的設計空間，根據變速箱撥叉的實際工況，對孔進行固定約束，定義相應的載荷，將形狀約束設置為單向拔模對稱約束，如圖5所示。

 

圖4 Inspire中變速箱撥叉三維模型

 

圖5 添加了約束和載荷的模型

對模型進行解算，解算后的模型如圖6所示。

 

 

圖6 添加了約束和載荷的模型

將SolidThinking Inspire優化后的概念雛形保存為stl文件，將其作為重建模型的參考。結合零件制造的工藝性要求，將stl文件導入到CAD軟件中進行重建，圖7為重建的變速箱撥叉模型的高清渲染圖。

圖7 重建的變速箱撥叉模型

該結果表明新設計的變速器撥叉不但滿足性能要求，而且質量減少了20%，實現模型優化與工藝性的統一。該優化設計方法不僅有效提高了產品開發進度，合理布局零件的材料，而且達到了降低零件制造成本的目的。

 

6 總結

（1）本文建立了變速箱撥叉的簡化模型，利用ANSYS對變速箱撥叉進行了分析，得到了變速箱撥叉的位移分布云圖和應力分布云圖。結果表明變速箱撥叉強度存在較大富裕，具有輕量化的優化空間（2）利用solidThinking Inspire軟件對變速箱撥叉進行結構的拓撲優化以及模型重建。通過優化使變速箱撥叉材料達到一個最優化的分布，在滿足給定剛度和強度條件下使撥叉的用料最少，對應的質量也最小，節省了大量工程材料。