郭应清　王铜奎

摘 要：文章介绍一种对DCT（冲压+焊接）拨叉的疲劳寿命计算方法。解决了在无准确的材料S-N曲线的情况下，依据材料的常用性能参数（屈服强度Rp0.2和抗拉强度Rm）近似绘制在不同可靠度下的S-N曲线，基于此曲线对某款DCT产品的拨叉进行疲劳寿命的计算，同时通过试验验证计算结果的可信性，保證在满足产品疲劳寿命要求的前提下，实现产品小型化和轻量化。关键词：DCT;冲压;焊接;拨叉;S-N曲线;疲劳寿命中图分类号：U467  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）02-37-03

Abstract： This paper describes one method for evaluation fatigue life of DCT shift forks which use fine blacking & welding produce technology when no exact material S-N curves can be got from material supplier. On this condition， mechanical capability will be used（such as Rp0.2 and Rm）to calculate approximate S-N curve. The fatigue life for one kind of DCT shift fork will be calculated based on this method and fatigue testing will be performed many times to validate the real fatigue life， so we can get the smallest and lightest parts.Keywords： DCT; Fine blanking; Wedding; Shift fork; S-N curve; Fatigue lifeCLC NO.： U467  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）02-37-03

1 疲劳寿命计算方法

疲劳设计有两种主要原则：（1）无限疲劳寿命设计;（2）有限疲劳寿命设计。无限疲劳寿命设计准则要求零部件的工作应力在其疲劳极限以下，这通常造成零部件结构尺寸大，过于笨重。有限疲劳寿命设计准则也称安全寿命设计准则，它保证在一定的使用期限内安全运行，所以允许部分工作应力超过疲劳寿命极限，有限疲劳寿命设计准则能够充分利用材料的承载能力，减小零部件的截面积及重量，一般零部件设计均可以采用此种方法，实现零部件的轻量化。

对于有限疲劳寿命设计准则，其重要依据是疲劳损伤累计理论，概述如下：

疲劳损伤累计理论是指：当零部件承受高于疲劳极限的应力时，每一个循环将使材料产生一定量的损伤，这种损伤可以累计，当损伤积累到一定的临界值时发生断裂，其实质是每次应力作用下，都将在材料内部形成微裂纹，随着应力作用次数的增加，微裂纹相互合并成长，导致材料的变质和恶化，由微裂纹扩展为宏观裂纹，最终导致断裂。

疲劳累计损伤理论分为三大类：

1.1 性疲劳累计损伤理论，最有代表性的是帕姆格伦-迈因纳理论

材料在各应力下的疲劳损伤是独立的，并且可以线性累加起来，如下：

1.2 非线性疲劳累计损伤理论，最有代表性的是科尔顿和多兰理论

1.3 其他的累计损伤理论

此类理论多是从实验室、观察室和分析推导出来的损伤公式，多属于经验和半经验公式，如Levy、Kozin等。

为了保证拨叉满足疲劳寿命要求，同时实现拨叉结构的轻量化，在此款DCT项目拨叉的疲劳寿命设计中采用有限疲劳寿命设计准则。

2 拨叉工况条件

2.1 拨叉工作原理

拨叉在工作过程中，由液压系统提供的液压油作用在拨叉杆左（右）两端的活塞上，活塞将液压力转换为机械推力作用在拨叉杆上，再由拨叉将此力传递到与其接触的同步器齿套上，并推动同步器齿套，完成换挡，如下图所示：

在整个换挡过程中，拨叉实际受到的力是由同步器齿套反向作用到拨叉上的力。在一个典型的换挡过程，拨叉受力（同步器齿套阻力图）如下图所示：

由上图可以看出，在整个换挡过程中，齿套的反作用力（阻力）是变化值，但会在一个较长时间段内稳定在某一个稳定值，且如果同步器设计良好，此值（如上图Fc）即为整个换挡过程中的最大值，在我们的计算拨叉的疲劳寿命中使用的力即为此值。

2.2 拨叉工作循环

在拨叉整个寿命期间内，拨叉将处在F1和F2的反复作用下，通常，F1和F2作用的次数在105以上，但不同次数的F1和F2是变动的值，在进行疲劳计算时，首先需要确认的条件为：拨叉工作的循环次数和对应的工作压力（F1和F2）。

为获得循环次数的数据，有两种方法：

（1）采用软件模拟方法;

（2）实测载荷谱法，此种方法需要耗费较大的人力和物力，但数据的有效性最好。

2.3 拨叉产品材料特性

在本文中，拨叉轴采用的材料为低碳合金钢，按照不同的热处理方式，其有两种机械性能：

3 撥叉疲劳寿命计算

3.1 疲劳寿命计算方法

首先按照估算材料的等寿命曲线，其方法为：

估算零部件的对称循环疲劳极限σ-1，其估算方法为：材料的抗拉强度（Rm）/可靠度系数（sF）。

结合拨叉实际的工作环境，其可靠地系数sF的主要考虑是否存在表面硬化现象，如果有表面硬化情况，sF=3，无表面硬化情况，sF=4。

本例中，产品采用精冲工艺成型，存在表面硬化现象。 有国外资料介绍的精冲件表面硬化形式如图5。

本例中实际产品检测结果如下：

据此，本例中选择可靠度的系数为3，计算其对称循环疲劳寿命如下：

将材料的抗拉极限与此值的商作为对称循环应力的需用极限，标注在纵轴上，再将材料的屈服极限标注在横坐标上，连结此两点，得到材料的等寿命曲线。

通过上图可以获取不同循环应力比（r）的的需用应力，在本例中，拨叉基本处于对称循环应力的作用，故形成材料的S-N曲线如下：

通过此曲线和拨叉的工况即可以计算产品的疲劳寿命。

3.2 拨叉疲劳寿命计算结果

对拨叉进行CAE分析，获取材料的应力分布，并将危险截面的应力值代入设计的换挡循环数据中，获取相应的疲劳寿命， 本例中，计算拨叉疲劳寿命如下：

由上表可见，按照原设计，采用材料1的产品疲劳寿命不足，而采用材料2的产品，疲劳强度满足要求。

4 优化设计及试验验证

由于材料1和材料2的组织结构特点，材料1更适合于精冲拨叉的生产，故为提高量产产品质量，同时降低量产成本，以材料1的特性为基础，对拨叉的结构进行优化。

以第3章所述方法对优化后产品进行疲劳计算，优化后的产品疲劳寿命为：

为验证理论计算的符合性，在本例中，采用疲劳振动试验台架并按照理论计算所采用的循环工况对所述产品进行试验验证，试验结果如下：

5 结论

通过试验验证，本文阐述的疲劳寿命计算方法于实际结果有较高的符合性，对于在设计阶段估算产品的疲劳寿命，实现产品的轻量化设计有较高的实用意义。

参考文献

[1] 闻邦椿.机械设计手册.第五版第6卷.现代设计理论与方法.机械工业出版社.2010.

[2] 濮良贵.机械设计.[M]高等教育出版社.

[3] 刘洪文.材料力学.[M]高等教育出版社.

[4] 高维山.变速器.[M]人民交通出版社.

[5] L Lovas Mechanical behaviour simulation for synchromesh mechani -sm improvements.