基于Workbench變速器齒輪軸的疲勞分析.pdf

設(shè)計(jì)研究 汽車(chē)實(shí)用技術(shù) A U T O M O BIL EA P P LIE DT E C H N O L O G Y 2 01 4 年第2 期 2 01 4N O 2 基于W o r k b e n c h 變速器齒輪軸的疲勞分析 湯傳軍1 張鍵1 李健2 熊金勝2 遼寧工業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院 遼寧錦州1 2 1 0 0 1 摘要 使用C a t i a 軟件對(duì)齒輪軸進(jìn)行實(shí)體模型 通過(guò)W o r k b e n c h 軟件的高效率模型導(dǎo)入功能實(shí)現(xiàn) 了C a t i a 和W o r k b e n c h 的聯(lián)合仿真 對(duì)齒輪軸進(jìn)行靜力學(xué)分析 結(jié)果表明設(shè)計(jì)的齒輪軸能滿(mǎn)足強(qiáng) 度要求 獲取了循環(huán)載荷譜和材料的S N 曲線(xiàn) 對(duì)齒輪軸進(jìn)行疲勞分析 得到了齒輪軸的壽命 損 傷及安全系數(shù)等相關(guān)參數(shù) 結(jié)果表明齒輪軸的疲勞壽命能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求 為齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 優(yōu)化提供一定的參考依據(jù) 關(guān)鍵詞 齒輪軸 W o r k b e n c h 靜力學(xué)分析 疲勞分析 中圖分類(lèi)號(hào) U 4 6 3 2 12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 16 7 1 7 9 8 8 2 0 14 0 2 0 1 0 4 F a t i g u ea n a l y s i so ft r a n s m i s s i o ng e a rs h a f tb a s e do nW o r k b e n c h T a n gC h u a n j u n l Z h a n gJ i a n l L iJ i a n 2 X i o n gJ i n s h e n 9 2 L i a o n i n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y L i a o n i n gJ i n z h o u12 10 01 A b s t r a c t Am o d e lo f g e a rs h a f ti sb u i l tb yu s i n gC a t i a c o s i m u l a t i o no f t h em o d e li nC a t i aa n dW o r k b e n c hi s m a d e T h es t a t i ca n a l y s i si sd o n ef o rg e a rs h a f t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eg e a rs h a f td e s i g n e dC a ns a t i s f yt h e i n t e n s i t yr e q u i r e m e n t s T h ec y c l i cl o a ds p e c t r u ma n dS Nc u r v eo fm a t e r i a li so b t a i n e d F a t i g u ea n a l y s i si s d o n ef o rg e a rs h a f t L i f e d a m a g e s a f e t yf a c t o ra n dc o r r e l a t i v ep a r a m e t e ro fG e a rs h a f ta r eg o t T h er e s u l t s s h o wt h a tt h ef a t i g u el i f eo fg e a rs h a f tm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t w h i c hp r o v i d e sag o o dr e f e r e n c ef o rt h e s t r u c t u r ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no fg e a rs h a R K e y w o r d s G e a rs h a f t W o r k b e n c h S t a t i ca n a l y s i s F a t i g u ea n a l y s i s C L CN O U 4 6 3 2 1 2D o c u m e n tC o d e AA r t i c l eI D 1 6 7 1 7 9 8 8 2 0 1 4 0 2 0 1 0 4 引言 齒輪軸是變速器行星傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要部件之 一 承受循環(huán)載荷 將扭矩從電機(jī)傳遞到行星輪系 部分 齒輪軸在設(shè)計(jì)過(guò)程中要保證在最大載荷下有 足夠的強(qiáng)度 因此對(duì)齒輪軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有非常高的 要求 然而疲勞破壞也是工程結(jié)構(gòu)與機(jī)械失效的主 作者簡(jiǎn)介 湯傳軍 碩士研究生 就讀于遼寧工業(yè)大學(xué) 主 要研究方向 車(chē)輛現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù) 要原因之一 引起疲勞失效的循環(huán)載荷的峰值遠(yuǎn)小 于根據(jù)靜態(tài)斷裂分析預(yù)算出來(lái)的 安全 載荷 l 疲勞壽命是零部件的主要設(shè)計(jì)要求之一 承受循環(huán) 載荷的零部件的疲勞強(qiáng)度和壽命預(yù)測(cè)是許多汽車(chē)公 司必須要解決的問(wèn)題 因此對(duì)齒輪軸進(jìn)行疲勞分析 具有重要的意義1 2 j 使用C a t i a 軟件建立齒輪軸的幾何模型 然后導(dǎo) 入有限元軟件W o r k b e n c h 中進(jìn)行靜力學(xué)分析 齒輪 軸的應(yīng)力最大位置即最有可能發(fā)生疲勞失效的位 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 2 0 1 4 年第2 期湯傳軍等 基于W o r k b e n c h 變速器齒輪軸的疲勞分析 2 置 應(yīng)用A n s y sF a t i g u eT o o l 疲勞分析工具計(jì)算疲勞 耗用系數(shù) 利用W o r k b e n c h 計(jì)算出齒輪軸疲勞壽 命 1 齒輪軸的靜力學(xué)分析 1 1 三維幾何模型 齒輪軸是在變速器工作過(guò)程中傳遞扭矩的核心 構(gòu)件 因此對(duì)齒輪軸進(jìn)行靜力學(xué)分析 所以先使用 C a t i a 軟件對(duì)齒輪軸進(jìn)行參三維實(shí)體建模 其實(shí)體模 型如圖1 所示 圖1 齒輪軸實(shí)體模型 1 2 齒輪軸材料參數(shù) 變速箱齒輪軸的材料為鉻錳合金鋼2 0 C r M n T i 其 彈性模量為2 0 6 1 0 5 M P a 泊松比取值0 3 密度為 7 8 1 0 母g m m 3 在疲勞分析曲線(xiàn)的存活率為9 0 的 情況下 其循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力強(qiáng)度曲線(xiàn)如圖2 所示 l j4 bgjl U C y c l e si L o g z o 圖2 材料2 0 C r M n T i 的S N 曲線(xiàn) 1 3 網(wǎng)格劃分 建好三維實(shí)體模型后 將C a t i a 模型通過(guò)s t p 格式導(dǎo)入到W o r k b e n c h 后 并進(jìn)行網(wǎng)格劃分 在進(jìn) 行網(wǎng)格劃分之前 先要考慮單元尺寸的大小 如果 單元?jiǎng)澐诌^(guò)大 則會(huì)減少計(jì)算時(shí)間 但是降低計(jì)算 的精度 如果單元?jiǎng)澐州^小 可以提高精度 但需 要大量的計(jì)算時(shí)間 因此經(jīng)過(guò)權(quán)衡兩者的關(guān)系后 設(shè)置單元尺寸的大小為5m m 采用自由網(wǎng)格劃分 對(duì)邊界曲折處 應(yīng)力變化大的區(qū)域應(yīng)細(xì)分網(wǎng)格 對(duì) 應(yīng)力 變形變化平緩的區(qū)域不必細(xì)分網(wǎng)格 3 1 最終 單元數(shù)為2 9 7 4 2 2 節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 11 0 7 0 其有限元模型 如圖3 所示 圖3 齒輪軸的有限元模型 1 4 約束和載荷 根據(jù)變速器齒輪軸的結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行力學(xué)分析 對(duì)模型邊界條件和載荷的施加同理論計(jì)算時(shí)的工況 一樣 在前后兩端限制軸向位移 在軸上裝軸承的 部位 限制U X U Y U Z R Y R Z 方向上的位 移 使其只能在繞X 軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn) 4 在進(jìn)行施加載荷時(shí) 將電機(jī)輸出作用在花鍵齒 面上的轉(zhuǎn)矩?fù)Q算成壓強(qiáng)施加在每個(gè)花鍵齒的側(cè)面作 為動(dòng)力輸入 方向?yàn)橥豁槙r(shí)針?lè)较?根據(jù)理論計(jì) 算 每個(gè)面上的壓強(qiáng)為8 4 M p a 將作用在矩形花鍵 的反作用力施加矩形花鍵面上的一側(cè) 5 J 將反作用 力換算成壓強(qiáng) 壓強(qiáng)P 由式 1 求得 P 絲 r S M P 二 f 1 r s 其中 M 為齒輪軸的輸出轉(zhuǎn)矩N m S 為花鍵一側(cè)的面積m m 2 r 為為鍵槽中心線(xiàn)距齒輪軸軸線(xiàn)的距離 m m o 其約束與載荷的施加如圖4 所示 圖4 約束與載荷的施加 對(duì)齒輪軸有限元模型進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算求解 等 效應(yīng)力如圖5 所示 由圖5 可知 最大應(yīng)力出現(xiàn)在 花鍵槽部位 最大應(yīng)力值為1 3 2 2 5 M P a 查機(jī)械手 冊(cè)可知電動(dòng)汽車(chē)用變速器軸的許用應(yīng)力 o 為 4 0 0 M P a 故從靜應(yīng)力角度分析 變速器齒輪軸結(jié)構(gòu) 5 3 5 2 3 2 P也z一一旨口oJ一曲 L一 口Eu舊cL 蘭 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 3 汽車(chē)實(shí)用技術(shù)2 0 1 4 年第2 期 強(qiáng)度有余量 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全 圖5 等效應(yīng)力圖 2 疲勞分析 2 1 載荷譜設(shè)計(jì) 齒輪軸是一個(gè)重復(fù)旋轉(zhuǎn)的過(guò)程 因此 花鍵面 的接觸應(yīng)力是隨時(shí)間發(fā)生變化 當(dāng)靠近接觸點(diǎn)時(shí) 從最小值0 增大到最大值 當(dāng)遠(yuǎn)離接觸點(diǎn)時(shí) 又從 最大值減少到最小值0 其循環(huán)載荷如圖6 所示 C o n L t l 刪tk p l i l u d eL o a d Z e r o R A s e d 圖6 循環(huán)載荷圖 2 2 疲勞強(qiáng)度的影響因素 材料疲勞數(shù)據(jù)的試驗(yàn)都是由光滑試樣得出的 因此零件的疲勞強(qiáng)度參數(shù)及材料的疲勞強(qiáng)度參數(shù)有 較大差別 影響機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的主要因素包括尺 寸效應(yīng) 缺口效應(yīng) 表面加工方法 平均應(yīng)力掣6 當(dāng)材料S N 曲線(xiàn)的斜線(xiàn)部分用式 2 表示時(shí) 礦 K D l g N l g C m l g o 2 式中 C m 一材料常數(shù) 材料S N 曲線(xiàn)斜線(xiàn)部分的表達(dá)式為式 3 即 將材料S N 曲線(xiàn)向下平移l g X v l g N l g C m l g K D 仃 3 皆 式中 鏟強(qiáng)度降低系數(shù) K 卜疲勞缺口系數(shù) r 尺寸系數(shù) 卜表面加工系數(shù) 平均應(yīng)力對(duì)疲勞壽命有較大影響 如壓縮平均 應(yīng)力會(huì)使疲勞強(qiáng)度與壽命增加 拉伸平均應(yīng)力會(huì)使 疲勞強(qiáng)度與壽命降低等 平均應(yīng)力修正理論主要有 S N N o n e G o o d m a n S o d e r b e r g 和G e r b e r 理論四種 其中G o o d m a n 理論在疲勞設(shè)計(jì)中應(yīng)用比較廣泛 符 合齒輪軸疲勞分析的平均應(yīng)力修正 故采用 G o o d m a n 理論對(duì)齒輪軸平均應(yīng)力進(jìn)行修正 其平均 應(yīng)力修正圖如圖7 所示 M e a n 打e s sC o r r e O t i o nT h e o f y S N 憶r 一G O 酣咐 S a d a t t M w g G d b H T 甩t 孵矗f 圖7G o o d m a n 平均應(yīng)力修正圖 2 3 疲勞分析及其結(jié)果 當(dāng)齒輪軸在循環(huán)載荷作用下 齒輪軸花鍵槽部 位容易產(chǎn)生疲勞失效 由于A N S Y SF a t i g u eT o o l 疲 勞分析功能比較簡(jiǎn)單 只能計(jì)算出在指定循環(huán)次數(shù) 下的疲勞耗用系數(shù) 因此在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上 用A N S Y SW o r k b e n c h 計(jì)算出齒輪軸的疲勞壽命 選擇G o o d m a n 作為平均應(yīng)力修正理論 設(shè)計(jì)壽命 為l e 7 循環(huán)次數(shù) 相關(guān)參數(shù)輸入后 開(kāi)始計(jì)算零件 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 2 0 1 4 年第2 期湯傳軍等 基于W o r k b e n c h 變速器齒輪軸的疲勞分析 4 的疲勞壽命 得到齒輪軸的壽命 損傷 和疲勞敏感性等相關(guān)結(jié)果 7 1 安全系數(shù)軸的安全系數(shù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求 壽命 L i f e 是由于疲勞作用直到失效的循環(huán)次 數(shù) 因?yàn)檩斎氲氖禽d荷譜 其數(shù)值表示在該載荷譜 所能循環(huán)的次數(shù) 材料的S N 曲線(xiàn)上的最大壽命為 l e l 0 循環(huán)次數(shù) 所以壽命的最大值默認(rèn)為l e l 0 循 環(huán)次數(shù) 零件壽命如圖8 所示 圖8 壽命 損傷 D a m a g e 就是設(shè)計(jì)壽命與可用壽命的比 值 當(dāng)損傷數(shù)值小于1 時(shí) 說(shuō)明不會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞 當(dāng)損傷數(shù)值大于l 時(shí) 說(shuō)明產(chǎn)生疲勞破壞 由圖9 零件損傷可知損傷的最大值為0 7 6 7 0 1 說(shuō)明齒輪軸 在該設(shè)計(jì)壽命下不會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞 圖9 損傷 安全系數(shù) S a f e t yF a c t o r 是零件所用材料的失 效應(yīng)力與設(shè)計(jì)應(yīng)力的比值 安全系數(shù)如圖1 0 所示 當(dāng)安全系數(shù)大于1 時(shí) 才能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求 從圖1 0 中可以得知安全系數(shù)的最小值為1 0 3 0 6 因此齒輪 3 結(jié)論 圖1 0 安全系數(shù) 1 使用A n s y sW o r k b e n c h 對(duì)齒輪軸進(jìn)行靜力 學(xué)分析 分析結(jié)果表明變速器齒輪軸的最大等效應(yīng) 力值為1 3 2 2 5 M P a 遠(yuǎn)小于變速器軸的許用應(yīng)力 o 為4 0 0 M p a 因此滿(mǎn)足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求 2 在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上 對(duì)齒輪軸進(jìn)行疲勞 壽命分析 獲得了齒輪軸壽命 損傷 安全系數(shù)及 疲勞敏感曲線(xiàn)等結(jié)果 從而獲得了齒輪軸應(yīng)力集中 與疲勞損傷均發(fā)生花鍵槽的邊緣 齒輪軸疲勞壽命 及損傷仿真驗(yàn)證了其疲勞壽命符合設(shè)計(jì)要求 為齒 輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供一定的參考依據(jù) 參考文獻(xiàn) 1 周傳月 鄭紅霞 羅慧強(qiáng) M S C F a t i g u e 疲勞分析應(yīng)用