差速器齿轮疲劳寿命仿真分析方法研究
2016-12-23 by:CAE仿真在线 来源:互联网
本文以卡车常用的差速器齿轮为研究对象,采用hyperwork软件+lsdyna软件进行应力分析,将结果导入fatigue软件中进行疲劳寿命仿真分析的方法,成功的对其进行了疲劳寿命仿真分析,得出了合理的结果,表明此种方法做差速器齿轮疲劳寿命仿真分析可行,为差速器齿轮的疲劳寿命仿真分析提供了一种可行的方法和途径。
汽车差速器是汽车中很关键的一个零部件,它的主要作用是满足汽车转弯时两侧车轮转速不同的需求。差速器由差速器壳、行星齿轮、行星齿轮轴和半轴齿轮等机械零件组成。差速器齿轮工况复杂,受力环境差,很容易出现疲劳破损和损坏等现象。如果在设计中能够通过仿真分析预测其寿命,能够为设计提供依据,将会大大减少设计误差,减少研发试验成本,提高设计成功率,并且通过分析对结构进行优化设计,能够达到提高产品质量和寿命的目的。但是差速器齿轮涉及齿面接触等非线性仿真分析,且结构复杂,对其进行疲劳寿命分析难度较大,所以研究一种切实可行的差速器齿轮的疲劳寿命仿真方法意义很大。
11 本文研究差速器齿轮简介
本文所研究的差速器齿轮为卡车中常用的锁止式差速器,其实物图如图1-1所示,1为主减输入轴,2为差速器壳,3为行星齿轮,4为半轴齿轮。本文的研究对象为差速器齿轮,如图1-2所示,左边为行星齿轮,右边为半轴齿轮。
图1-1 差速器图
图1-2 差速器齿轮
22 差速器齿轮疲劳分析方法研究与结果
差速器齿轮由半轴齿轮和行星齿轮组成,由行星齿轮驱动半轴齿轮转动,涉及齿面之间的接触非线性分析。疲劳耐久性分析是在应力基础上的一种寿命预测,首先得进行结构应力分析,lsdyna具有强大的非线性分析能力,能够很好的进行接触设置,本文采用lsdyna软件对其进行结构应力分析。疲劳寿命仿真分析使用fatigue软件。
2.1 结构应力分析
本文使用hyperworks软件对其进行前后处理,使用lsdyna进行计算。本文选择在直线行驶下的工况作为研究对象,直线行驶工况下的载荷为行星齿轮输入36000NM的扭矩,半轴齿轮输出18000Nm的扭矩,材料采用20CrMnTi,其参数如表2-1所示。将载荷和材料参数输入,建立仿真模型,如图2-1所示。
表2-1 差速器齿轮材料性能参数
材料 |
弹性模量 |
泊松比 |
材料密度 |
屈服强度σs |
抗拉强度σb |
20CrMnTiH |
207GPa N/m2 |
0.25 |
7.8×103kg/m3Kg/3 |
≥850 MPa |
≥1080 MPa |
图2-1 差速器齿轮分析模型
通过lsdyna软件计算,hyperview软件进行结果后处理,得分析结果如表2-2所示,应力分布云图如图2-2所示, 从结果中看出行星齿轮、半轴齿轮的最大vonmises应力分别为724MPa、458MPa,均低于屈服极限850MPa。行星齿轮、半轴齿轮的最大拉应力分别为402MPa、402MPa,低于抗拉强度1080MPa。
表2-2 结构应力分析结果
零件名称 |
最大Vonmises应力(Mpa) |
最大拉应力(Mpa) |
行星齿轮1 |
648 |
291 |
行星齿轮2 |
565 |
402 |
行星齿轮3 |
505 |
364 |
行星齿轮4 |
724 |
275 |
半轴齿轮1 |
458 |
402 |
半轴齿轮2 |
367 |
348 |
a) 行星齿轮vonmises应力云纹图
b) 行星齿轮拉应力云纹图
c) 半轴齿轮vonmises应力云纹图
d) 半轴齿轮拉应力云纹图
图2-2 半轴齿轮应力云纹图
2.2 疲劳寿命预测分析
本文使用fatigue软件对其进行疲劳寿命预测,由于其为高周疲劳,故采用s-n分析方法,对其进行疲劳寿命分析。首先读取lsdyna计算结果文件,导入后进行疲劳分析参数设置,然后进行材料参数设置,其sn曲线如图2-3所示,进行载荷历程设置,其载荷历程使用简化的载荷历程曲线,如图2-4所示。
图2-3 20CrMnTi的SN曲线图
图2-4 疲劳分析载荷历程曲线
将以上参数输入,并进行加载,得疲劳寿命结果如表2-3所示,其寿命云图如图2-5和图2-6所示,从结果中看出,行星齿轮最低寿命为759万次,最大破损为1.92e-7,最小安全因子为1.07;半轴齿轮最低寿命为1016万次,最大破损为0,最小安全因子为1.37。
表2-3 疲劳耐久性分析结果
零件名称 |
最低寿命(万次) |
最大破损度 |
最小安全因素 |
行星齿轮 |
759 |
1.92e-7 |
1.07 |
半轴齿轮 |
1016 |
0 |
1.37 |
图2-5 行星齿轮寿命、破损度和安全因子云纹图
图2-6 半轴齿轮寿命、破损度和安全因子云纹图
33 结论
本文以卡车常用的差速器齿轮结构为研究对象,成功的对其进行了疲劳寿命预测分析,得出了合理的可靠的结果,表明使用hyperwork软件+lsdyna软件进行应力分析,将结果导入fatigue软件中进行疲劳寿命仿真分析的方法可行,为差速器齿轮的疲劳寿命仿真分析提供了一种可行的方法和途径。
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