差速器齒輪疲勞壽命仿真分析方法研究

2016-12-23  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

本文以卡車常用的差速器齒輪為研究對象,采用hyperwork軟件+lsdyna軟件進行應力分析,將結果導入fatigue軟件中進行疲勞壽命仿真分析的方法,成功的對其進行了疲勞壽命仿真分析,得出了合理的結果,表明此種方法做差速器齒輪疲勞壽命仿真分析可行,為差速器齒輪的疲勞壽命仿真分析提供了一種可行的方法和途徑。

汽車差速器是汽車中很關鍵的一個零部件,它的主要作用是滿足汽車轉彎時兩側車輪轉速不同的需求。差速器由差速器殼、行星齒輪、行星齒輪軸和半軸齒輪等機械零件組成。差速器齒輪工況復雜,受力環境差,很容易出現疲勞破損和損壞等現象。如果在設計中能夠通過仿真分析預測其壽命,能夠為設計提供依據,將會大大減少設計誤差,減少研發試驗成本,提高設計成功率,并且通過分析對結構進行優化設計,能夠達到提高產品質量和壽命的目的。但是差速器齒輪涉及齒面接觸等非線性仿真分析,且結構復雜,對其進行疲勞壽命分析難度較大,所以研究一種切實可行的差速器齒輪的疲勞壽命仿真方法意義很大。

11 本文研究差速器齒輪簡介

本文所研究的差速器齒輪為卡車中常用的鎖止式差速器,其實物圖如圖1-1所示,1為主減輸入軸,2為差速器殼,3為行星齒輪,4為半軸齒輪。本文的研究對象為差速器齒輪,如圖1-2所示,左邊為行星齒輪,右邊為半軸齒輪。

圖1-1 差速器圖

圖1-2 差速器齒輪

22 差速器齒輪疲勞分析方法研究與結果

差速器齒輪由半軸齒輪和行星齒輪組成,由行星齒輪驅動半軸齒輪轉動,涉及齒面之間的接觸非線性分析。疲勞耐久性分析是在應力基礎上的一種壽命預測,首先得進行結構應力分析,lsdyna具有強大的非線性分析能力,能夠很好的進行接觸設置,本文采用lsdyna軟件對其進行結構應力分析。疲勞壽命仿真分析使用fatigue軟件。

2.1 結構應力分析

本文使用hyperworks軟件對其進行前后處理,使用lsdyna進行計算。本文選擇在直線行駛下的工況作為研究對象,直線行駛工況下的載荷為行星齒輪輸入36000NM的扭矩,半軸齒輪輸出18000Nm的扭矩,材料采用20CrMnTi,其參數如表2-1所示。將載荷和材料參數輸入,建立仿真模型,如圖2-1所示。

表2-1 差速器齒輪材料性能參數

材料	彈性模量	泊松比	材料密度	屈服強度σs	抗拉強度σb
20CrMnTiH	207GPa N/m2	0.25	7.8×103kg/m3Kg/3	≥850 MPa	≥1080 MPa

圖2-1 差速器齒輪分析模型

通過lsdyna軟件計算,hyperview軟件進行結果后處理,得分析結果如表2-2所示,應力分布云圖如圖2-2所示, 從結果中看出行星齒輪、半軸齒輪的最大vonmises應力分別為724MPa、458MPa,均低于屈服極限850MPa。行星齒輪、半軸齒輪的最大拉應力分別為402MPa、402MPa,低于抗拉強度1080MPa。

表2-2 結構應力分析結果

零件名稱	最大Vonmises應力(Mpa)	最大拉應力(Mpa)
行星齒輪1	648	291
行星齒輪2	565	402
行星齒輪3	505	364
行星齒輪4	724	275
半軸齒輪1	458	402
半軸齒輪2	367	348

a) 行星齒輪vonmises應力云紋圖

b) 行星齒輪拉應力云紋圖

c) 半軸齒輪vonmises應力云紋圖

d) 半軸齒輪拉應力云紋圖

圖2-2 半軸齒輪應力云紋圖

2.2 疲勞壽命預測分析

本文使用fatigue軟件對其進行疲勞壽命預測,由于其為高周疲勞,故采用s-n分析方法,對其進行疲勞壽命分析。首先讀取lsdyna計算結果文件,導入后進行疲勞分析參數設置,然后進行材料參數設置,其sn曲線如圖2-3所示,進行載荷歷程設置,其載荷歷程使用簡化的載荷歷程曲線,如圖2-4所示。

圖2-3 20CrMnTi的SN曲線圖

圖2-4 疲勞分析載荷歷程曲線

將以上參數輸入,并進行加載,得疲勞壽命結果如表2-3所示,其壽命云圖如圖2-5和圖2-6所示,從結果中看出,行星齒輪最低壽命為759萬次,最大破損為1.92e-7,最小安全因子為1.07;半軸齒輪最低壽命為1016萬次,最大破損為0,最小安全因子為1.37。

表2-3 疲勞耐久性分析結果

零件名稱	最低壽命(萬次)	最大破損度	最小安全因素
行星齒輪	759	1.92e-7	1.07
半軸齒輪	1016	0	1.37

圖2-5 行星齒輪壽命、破損度和安全因子云紋圖

圖2-6 半軸齒輪壽命、破損度和安全因子云紋圖

33 結論

本文以卡車常用的差速器齒輪結構為研究對象,成功的對其進行了疲勞壽命預測分析,得出了合理的可靠的結果,表明使用hyperwork軟件+lsdyna軟件進行應力分析,將結果導入fatigue軟件中進行疲勞壽命仿真分析的方法可行,為差速器齒輪的疲勞壽命仿真分析提供了一種可行的方法和途徑。

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