搜索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(lián)網(wǎng)
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(jìn)行應(yīng)力分析,將結(jié)果導(dǎo)入fatigue軟件中進(jìn)行疲勞壽命仿真分析的方法,成功的對其進(jìn)行了疲勞壽命仿真分析,得出了合理的結(jié)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(guān)鍵的一個(gè)零部件,它的主要作用是滿足汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)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(jī)械零件組成。差速器齒輪工況復(fù)雜,受力環(huán)境差,很容易出現(xiàn)疲勞破損和損壞等現(xiàn)象。如果在設(shè)計(jì)中能夠通過仿真分析預(yù)測其壽命,能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)提供依據(jù),將會大大減少設(shè)計(jì)誤差,減少研發(fā)試驗(yàn)成本,提高設(shè)計(jì)成功率,并且通過分析對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),能夠達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)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(jié)構(gòu)復(fù)雜,對其進(jìn)行疲勞壽命分析難度較大,所以研究一種切實(shí)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(shí)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(jié)果
差速器齒輪由半軸齒輪和行星齒輪組成,由行星齒輪驅(qū)動半軸齒輪轉(zhuǎn)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(yīng)力基礎(chǔ)上的一種壽命預(yù)測,首先得進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析,lsdyna具有強(qiáng)大的非線性分析能力,能夠很好的進(jìn)行接觸設(shè)置,本文采用lsdyna軟件對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。疲勞壽命仿真分析使用fatigue軟件。
2.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析
本文使用hyperworks軟件對其進(jìn)行前后處理,使用lsdyna進(jìn)行計(jì)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(shù)如表2-1所示。將載荷和材料參數(shù)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(shù)
|
材料 |
彈性模量 |
泊松比 |
材料密度 |
屈服強(qiáng)度σs |
抗拉強(qiáng)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(jì)算,hyperview軟件進(jìn)行結(jié)果后處理,得分析結(jié)果如表2-2所示,應(yīng)力分布云圖如圖2-2所示, 從結(jié)果中看出行星齒輪、半軸齒輪的最大vonmises應(yīng)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(yīng)力分別為402MPa、402MPa,低于抗拉強(qiáng)度1080MPa。
表2-2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果
|
零件名稱 |
最大Vonmises應(yīng)力(Mpa) |
最大拉應(yīng)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(yīng)力云紋圖
b) 行星齒輪拉應(yīng)力云紋圖
c) 半軸齒輪vonmises應(yīng)力云紋圖
d) 半軸齒輪拉應(yīng)力云紋圖
圖2-2 半軸齒輪應(yīng)力云紋圖
2.2 疲勞壽命預(yù)測分析
本文使用fatigue軟件對其進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測,由于其為高周疲勞,故采用s-n分析方法,對其進(jìn)行疲勞壽命分析。首先讀取lsdyna計(jì)算結(jié)果文件,導(dǎo)入后進(jìn)行疲勞分析參數(shù)設(shè)置,然后進(jìn)行材料參數(shù)設(shè)置,其sn曲線如圖2-3所示,進(jìn)行載荷歷程設(shè)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(shù)輸入,并進(jìn)行加載,得疲勞壽命結(jié)果如表2-3所示,其壽命云圖如圖2-5和圖2-6所示,從結(jié)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(jié)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(jié)論
本文以卡車常用的差速器齒輪結(jié)構(gòu)為研究對象,成功的對其進(jìn)行了疲勞壽命預(yù)測分析,得出了合理的可靠的結(jié)果,表明使用hyperwork軟件+lsdyna軟件進(jìn)行應(yīng)力分析,將結(jié)果導(dǎo)入fatigue軟件中進(jìn)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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