拖拉机变速箱拨叉拓扑优化研究：方法与结果

拖拉机变速箱拨叉的拓扑优化研究

1引言

拨叉^]应用于拖拉机的变速箱的换挡机构中。当需要变速时，操纵变速杆，变速操纵机构就通过拨叉头部的操纵孔带动拨叉与变速叉轴一起在变速箱中滑移，拨叉脚拨动双联变换齿轮在花键轴上滑动以改换档位，从而改变拖拉机的行驶速度。作为变速器的重要部件，拨叉不仅要有足够的刚度、强度，还要有良好的可靠性。拨叉轻量化的趋势要求各类铸件在满足强度要求的情况下质量最小化。

本文对静力作用下拖拉机变速箱拨叉进行了拓扑优化。

4 变速器拨叉的拓扑优化

SolidThinking Inspire采用美国Altair公司先进的OptiStruct优化求解器，根据给定的设计空间、材料属性及受力需求生成理想的形状，根据软件生成的结果进行再设计。应用Inspire进行前期概念设计，既能提升产品的结构质量，同时又奠定了优越的结构基础，从而提升了整个设计流程的效率。

将模型导入SolidThinking Inspire中，如图4所示。将中间部分定义为变速箱拨叉的设计空间，根据变速箱拨叉的实际工况，对孔进行固定约束，定义相应的载荷，将形状约束设置为单向拔模对称约束，如图5所示。

图4 Inspire中变速箱拨叉三维模型

图5 添加了约束和载荷的模型

对模型进行解算，解算后的模型如图6所示。

图6 添加了约束和载荷的模型

将SolidThinking Inspire优化后的概念雏形保存为stl文件，将其作为重建模型的参考。结合零件制造的工艺性要求，将stl文件导入到CAD软件中进行重建，图7为重建的变速箱拨叉模型的高清渲染图。

图7 重建的变速箱拨叉模型

该结果表明新设计的变速器拨叉不但满足性能要求，而且质量减少了20%，实现模型优化与工艺性的统一。该优化设计方法不仅有效提高了产品开发进度，合理布局零件的材料，而且达到了降低零件制造成本的目的。

6 总结

（1）本文建立了变速箱拨叉的简化模型，利用ANSYS对变速箱拨叉进行了分析，得到了变速箱拨叉的位移分布云图和应力分布云图。结果表明变速箱拨叉强度存在较大富裕，具有轻量化的优化空间（2）利用solidThinking Inspire软件对变速箱拨叉进行结构的拓扑优化以及模型重建。通过优化使变速箱拨叉材料达到一个最优化的分布，在满足给定刚度和强度条件下使拨叉的用料最少，对应的质量也最小，节省了大量工程材料。