桑车主减速器齿轮弯曲疲劳寿命研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 3.22MB 72 页 15积分

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摘要

为了使轿车主减速器结构更为紧凑，啮合平稳，噪音小，我国轿车发动机纵

置产品中主减速都使用准双曲线螺旋锥齿轮。由于准双曲线螺旋锥齿轮的小齿轮

偏置，因而具有增大轮齿接触比，增强小齿轮强度及刚度，齿面磨损较均匀，降

低轿车重心等优点。目前，主减速器疲劳寿命主要采用变速箱总成和单对主减速

器齿轮在恒幅下进行疲劳试验。本文在上海市政府间国际科技合作项目

（10520711500）和上海市自然科学基金项目（09ZR1422000）的支持下，对桑车

主减速器齿轮的弯曲疲劳寿命进行了深入研究。主要内容包括：

1、对疲劳寿命预测的国内外研究现状和抗疲劳设计进行了深入的分析和总

结。并论述了螺旋锥齿轮传动原理、传动误差以及主减速器齿轮支撑型式。

2、以桑塔纳轿车主减速器齿轮为对象，进行了两种疲劳试验——1档下变速

箱总成试验和主减速器试验台试验。试验结果发现变速箱总成试验和主减速器试

验台试验都是主减速器主动小齿轮首先失效，变速箱总成下的试验寿命远大于主

减速器试验台的试验寿命。

3、为了研究两种试验下主减速器齿轮疲劳寿命的差异，对两种试验下主减速

器齿轮的支撑型式进行了简化，利用三维软件UG建立了主减速器齿轮的支撑型

式、主减速器齿轮的三维CAD模型。

4、应用Hypermesh软件，对两种试验下的支撑型式模型进行了有限元分析，

结果表明变速箱总成试验下的齿轮副啮合位置偏移误差为0.094mm，最大应力值为

1130MPa；主减速器试验台试验中的齿轮副啮合位置偏移误差为0.023mm，最大应

力值为1000MPa。两种试验主减速器疲劳寿命变化的原因是主减速器被动齿轮支撑

刚度的变化，造成齿轮副啮合位置的变化，进而造成齿根处最大应力变化。

本文的研究结果表明了主减速器齿轮的支撑刚度是影响主减速器齿轮寿命的

主要因素，提高主减速器齿轮的支撑刚度能够明显提高主减速器齿轮的弯曲疲劳

寿命，进而提高变速箱的疲劳寿命。

关键词：弯曲疲劳寿命主减速器齿轮支撑型式有限元分析

ABSTRACT

To make final drive’s structure more compact, meshing more smoothly and lower

noise, the quasi-hyperbolic spiral bevel gears were used in the final drive in

longitudinal engineer products. Because the pinion offset of the quasi-hyperbolic spiral

bevel pinion gear, the tooth contact ratio was increased, the strength and stiffness of

pinion was enhanced, tooth surface wear was more evenly, cars gravity was reduced

and so on. Currently, the fatigue life of transmission gear was performed transmission

assembly under and spiral bevel gears. In this paper, with the support of Shanghai

International Cooperation project (10520711500) and Shanghai Natural Science

Foundation (09ZR1422000), the bending fatigue life of final drive was investigated in

depth. The main contents included:

First, fatigue life prediction of domestic and international research present

condition and fatigue design were analyzed and summarized in depth. And the

principle of spiral bevel gears, transmission error and the supporting manner of final

drive gear were discussed.

Second, Santana final drive gears were treated as objects, the fatigue experiments

were performed by transmission assembly under one gear and spiral bevel gears.

Experimental results showed that initiative failure of transmission assembly test and

spiral bevel gear experiments were active pinion of final drive, and the fatigue life of

transmission assembly was much larger than the life of spiral bevel gear.

Third, in order to study the differences of fatigue life under two experimental of

the final drive gear, the supporting manner of different final drive experiments had

been simplified. The three-dimensional CAD about the supporting manner of final

drive and the final drive gears had been established by using three-dimensional

software UG.

Final, the supporting manner modals of the two experiments were carried out

finite element analysis by hypermesh. Results showed that the error of gear

engagement position under the transmission assembly was 0.094mm, the maximum

stress was 1130MPa; the error of gear engagement position under spiral bevel gears

was 0.023mm, the maximum stress was 1000MPa. The main reason of changes about

the fatigue life of two experiments was that the stiffness changes of passive gear final

drive caused changes of gear engagement position, caused changes of the maximum

stress at tooth root finally.

The research results showed that the supporting stiffness of final drive gear is the

major factor that impacting the fatigue life of final drive, enhancing the supporting

stiffness of final drive gear can significantly improve the bending fatigue life of final

drive gear, thereby increasing the fatigue life of transmission.

KEY WORD：Bending fatigue life, Final drive gear, Supporting

manner, Finite element analysis.

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论...................................................................................................................1

1.1 引言 ........................................................................................................................ 1

1.2 国内外研究现状 ..................................................................................................... 2

1.2.1 疲劳强度发展概况..........................................................................................2

1.2.2 疲劳试验..........................................................................................................3

1.2.3 疲劳设计方法..................................................................................................5

1.3 主要研究内容 ........................................................................................................ 8

1.3.1 课题来源..........................................................................................................8

1.3.2 主要研究内容..................................................................................................8

第二章螺旋锥齿轮及工作环境.....................................................................................9

2.1 螺旋锥齿轮简介 ..................................................................................................... 9

2.1.1 螺旋锥齿轮基本原理......................................................................................9

2.1.2 齿轮传动的动载荷及影响因数.....................................................................11

2.1.3 螺旋锥齿轮的支撑形式................................................................................12

2.2 齿轮传动的误差分析 .......................................................................................... 14

2.2.1 传动误差的影响因素....................................................................................14

2.2.2 回差的影响因数............................................................................................16

2.3 齿轮失效形式 ...................................................................................................... 18

第三章桑车主减速器齿轮试验...................................................................................21

3.1 试验原理和设备 ................................................................................................... 21

3.1.1 试验对象.........................................................................................................21

3.1.2 试验设备........................................................................................................22

3.2 主减速器疲劳试验 ............................................................................................... 23

3.2.1 总成试验........................................................................................................23

3.2.2 封闭式试验台试验.........................................................................................24

3.3 齿轮试验结果 ....................................................................................................... 25

3.3.1 总成试验结果.................................................................................................25

3.3.2 封闭式试验台实验结果.................................................................................27

3.3 本章小结 ............................................................................................................... 28

第四章主减速器齿轮建模...........................................................................................29

4.1 CAD 软件简介 .....................................................................................................29

4.1.1 Auto CAD ....................................................................................................... 29

4.1.1 UG NX ............................................................................................................ 29

4.2 主减速器螺旋锥齿轮参数 .................................................................................. 30

4.2.1 螺旋锥齿轮的几何参数................................................................................30

4.2.2 螺旋锥齿轮的强度........................................................................................32

4.3 CAD 实体建模 ......................................................................................................33

4.3.1 螺旋锥齿轮 CAD 模型 .................................................................................. 34

4.3.2 支撑型式的 CAD 模型 .................................................................................. 35

4.4 本章小结 ............................................................................................................... 38

第五章主减速器齿轮有限元分析...............................................................................39

5.1 有限元简介 ........................................................................................................... 39

5.1.1 有限元分析软件............................................................................................39

5.1.2 有限元基本思想............................................................................................40

5.1.3 有限元分析步骤............................................................................................40

5.2 支撑型式有限元分析 ........................................................................................... 41

5.2.1 总成支撑型式.................................................................................................42

5.2.2 试验台支撑型式............................................................................................46

5.2.3 变形位移分析................................................................................................49

5.3 齿轮有限元分析 .................................................................................................. 50

5.3.1 位移误差对齿轮传动的影响.........................................................................50

5.3.2 螺旋锥齿轮的有限元分析.............................................................................51

5.4 变形位移对疲劳寿命的影响 .............................................................................. 60

5.5 本章小结 .............................................................................................................. 62

第六章总结与展望.......................................................................................................63

6.1 总结 ...................................................................................................................... 63

6.1 展望 ...................................................................................................................... 64

参考文献.........................................................................................................................65

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................68

致谢.........................................................................................................................69

第一章绪论

1.1 引言

机械零件和工程构件的主要失效形式是磨损、腐蚀和断裂。在机械零部件中，由

于磨损和腐蚀造成的损失都是十分可观的。但是磨损和腐蚀的进程通常比较缓慢，因

而可以通过定期更换零件或进行维修护理来解决，而断裂通常发生比较突然，往往导

致灾难性的设备事故和人身事故，所以断裂破坏受到更多的重视。

据统计，机械的断裂事故中，大多数是由于金属疲劳引起的。而机械零件和工程

构件中，凡是承受的应力水平比较高并且循环变化，都有可能发生疲劳破坏。飞机、

船舶、汽车、矿山机械、冶金机械、工程机械、动力机械和起重运输机械等，其主要

零件和结构件，大多在循环变化的载荷或随机载荷作用下工作，疲劳是机械零件和工

程构件的主要失效形式。

疲劳是表达材料在循环载荷作用下的损伤和破坏，在常温下工作的机械零件和工

程构件的疲劳破坏取决于外载的大小，从微观上看，疲劳裂纹的萌生与局部微观塑性

相关；从宏观上看在循环应力水平较低时，弹性应变起主导作用，此时疲劳寿命较长

称为应力疲劳或高周疲劳；在循环应力水平较高时，塑性应变起主导作用，此时疲劳

寿命较短，称为应变疲劳或低周疲劳。

疲劳寿命是指机械零件和工程构件直至破坏所作用的循环载荷的次数或时间。疲

劳破坏或疲劳失效的定义或准则是多样的。从疲劳损伤发展工程看，有二阶段疲劳寿

命模型、三阶段疲劳寿命模型和多阶段疲劳寿命模型。二阶段疲劳寿命模型将疲劳寿

命分为裂纹形成和裂纹扩展：结构或材料从受载开始到裂纹达到给定的裂纹长度为止

的循环次数称为裂纹形成寿命，此后裂纹扩展到临界裂纹长度为止的循环次数称为裂

纹扩展寿命。三阶段疲劳寿命模型认为疲劳损伤过程由无裂纹、小裂纹和大裂纹三个

阶段组成。多阶段疲劳寿命模型将小裂纹阶段细分为微观小裂纹，物理小裂纹和结构

小裂纹。上述模型中各阶段疲劳寿命之和称为疲劳全寿命。

在设备维修中，对于产生疲劳裂纹和已经疲劳断裂的机械零件和工程构件，一般

采取两种处理方法：报废换新以及修复后继续使用。报废换新需要预先计划提供设备，

修复后继续使用则需要在大修或中修时安排检修。在设备维护中，失效分析能对设备

设计反馈重要的信息。从断口分析中可以了解机械零件和工程构件的疲劳断裂原因，

可以改进设备的结构和制造工艺，可以延长更换件的使用寿命。

机械零件、工程构件和设备的寿命估算，已经成为疲劳强度重要组成部分。产品

的寿命、大修周期、大修中更换零件的目录，已经成为国内外市场中产品的竞争指标。

桑车主减速器齿轮弯曲疲劳寿命研究

1.2 国内外研究现状

1.2.1 疲劳强度发展概况

十九世纪出，随着铁路运输的发展，机车车轴的疲劳破坏称为当时工程上遇到的

第一个疲劳强度问题[1-2]。德国人艾伯特在1829年进行了最早的疲劳试验，他对矿山提

升用的焊接连进行反复的加载试验，在105次循环后破坏。结果表明矿用链在反复加载

后的破坏及机车车轴运行一段时间后在轴肩处的破坏与单调加载造成的破坏弯曲不

同。

德国人沃勒从1847年到1889年进行了疲劳强度的系统性试验。完成了循环应力下

的多种疲劳试验。并且沃勒首先提出了S-N曲线以及疲劳极限的概念。

1884年，包辛格首先研究了循环应力-应变关系，在验证沃勒的疲劳试验时，发现

了“循环软化”现象。

1903年，尤因和汉弗莱将疲劳破坏与滑移联系起来[3]。他们在对退火的瑞典铁进行

了旋转弯曲疲劳试验中用光学显微镜观察试样发现，在循环应力作用下晶体中产生滑

移线，随着循环数的增加，滑移线逐渐变深、变宽，形成滑移带，并在某个晶体上首

先出现开裂。

1923年，英国人高夫提出一种疲劳机理的假设[4]：疲劳破坏并不是在晶体上产生滑

移记忆应变硬化的结果，而是由于在某些局部区域中应变超过了极限晶格应变，是原

子键破坏以及晶格中的不连续所引起的。

1945年，美国人迈因纳[5]在帕姆格伦研究的基础提出：损伤与应力循环数成线性关

系，即疲劳累积损伤线性关系，被称为帕姆格伦-迈因纳定律。

上世纪四十年代苏联人谢联先根据等幅疲劳试验得到的应力-寿命曲线退出了常规

疲劳设计公式[6]，当横轴和纵轴都取对数坐标时，应力-寿命曲线是一条倾斜线和一条

水平线在约等于107次循环处相连的折线。

1950年，斯托维尔对受单轴拉伸的带圆孔平板的应力场的弹性进行了塑性修正，

得到了孔边缘真实的应力集中系数。

1953年，澳大利亚人赫德提出了疲劳裂纹扩展理论。1957年，美国人欧文研究了

中心裂纹板在垂直于裂纹的方向受拉伸的情况，在裂纹尖端附近弹性力学应力分析的

基础水姑娘，把裂纹尺寸的平方根与应力的乘积定义为应力强度因子。材料的应力强

度因子有个临界值，称为材料的断裂韧性，当应力强度因子达到材料的断裂韧性值时，

在一般情况下裂纹将失稳扩展，这就是线弹性断裂力学的断裂准则。

1957年，美国人帕里斯[7]提出，在循环载荷作用下，裂纹尖端处得应力强度因子的

变化幅度，是控制构件疲劳裂纹扩展速度的基本参量，并提出了疲劳裂纹扩展速度的

指数幂定律。1967年，福尔曼提出了疲劳裂纹扩展速度的修正公式。

1959年，波普指出，疲劳寿命的寿命数据是符合对数正态分布的。

1961年，诺伯对受切应力作用的有对称缺口的棱柱体进行了分析，得出了描述缺

第一章绪论

口非线性应力-应变特性的规律，即理论应力集中系数等于真实应力集中系数和真实应

变集中系数的几何平均值，这就是诺伯定律。

1961年，美国人豪根对两个正态分布函数的代表运算进行了分析[8]，为强度干涉模

型的可靠性奠定了基础。

1968年，马特修斯和恩多提出了雨流计数法，认为塑性的存在是造成疲劳损伤的

必要条件，这种塑性性质是由应力-应变迟滞回线表现出来的，并且雨流计数法的计数

结果与材料的“记忆特性”相一致。

1971年，韦策尔建立了用局部应力-应变分析预估零件和构件在随机载荷历程下的

疲劳寿命的较完整的方法，并给出计算程序，使得局部应力-应变方迅速发展起来。

上世纪七十年代起，由于计算机应用的普及和快速傅里叶变换算法的出现应用，

使随机振动分析速度提高了很多。随机振动理论[9-11]在运输。船舶。机械和地质等行业

得到重视和应用。同时，在计算方法方面形成一种估算疲劳裂纹形成的寿命方法：局

部应力-应变法。主要是考虑疲劳裂纹的形成寿命是有危险部位的局部应力-应变历程所

决定的，可以根据机械零件和工程构件所承受的载荷历程来确定疲劳破坏部位的局部

应力-应变历程，并由此进行疲劳寿命估算。

1.2.2 疲劳试验

疲劳强度设计与疲劳寿命分析[5-6]建立在实验基础上的，只有模拟真实的载荷以及

环境，对被研制的设备或零部件进行实物试验，才能正确地他们的真实疲劳特性，验

证疲劳设计的预期效果。但是由于整机试验只能抽极少的样机进行，而零部件的疲劳

试验对不如整机试验接近实际，但是比标准试样接近工作情况。如何把标准试样的疲

劳性能数据用于零部件设计，是疲劳强度设计的重要内容之一[12-14]。

一、常规疲劳试验方法

常规疲劳试验方法[11]，用于试样个数有限、生产任务紧迫或者为了节省费用不宜

进行大量试验时，用来测定材料或零件的S-N曲线。这种试验方法除了直接为生产部门

提供疲劳性能数据外，还可以作为一些特殊疲劳试验的预备性试验。

常规疲劳试验方法是在每个应力水平下试验一个试样，所以试验费用少，周期短，

易于实现。试验时，一般从最高应力水平开始，逐级降低应力水平，记录在各级应力

水平下试样的疲劳寿命（破坏是的循环数），直到完成全部试验为止。根据这些观察值，

即可确定S-N曲线。

常规疲劳试验中至少需要10个材料和尺寸均相同的试样。其中，一个试样用于静

载试验，1-2个试样作为样品，其余7-8个试样用于疲劳试验。

在静载试验[15]中，取一个试样测定材料或零件的强度极限或破坏载荷，以检验材

料或零件的静强度是否符合要求，并选定各级应力水平。

试验中需要将应力水平分级，应力水平至少分为7级。高应力水平的间隔可取大一

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摘要：

摘要为了使轿车主减速器结构更为紧凑，啮合平稳，噪音小，我国轿车发动机纵置产品中主减速都使用准双曲线螺旋锥齿轮。由于准双曲线螺旋锥齿轮的小齿轮偏置，因而具有增大轮齿接触比，增强小齿轮强度及刚度，齿面磨损较均匀，降低轿车重心等优点。目前，主减速器疲劳寿命主要采用变速箱总成和单对主减速器齿轮在恒幅下进行疲劳试验。本文在上海市政府间国际科技合作项目（10520711500）和上海市自然科学基金项目（09ZR1422000）的支持下，对桑车主减速器齿轮的弯曲疲劳寿命进行了深入研究。主要内容包括：1、对疲劳寿命预测的国内外研究现状和抗疲劳设计进行了深入的分析和总结。并论述了螺旋锥齿轮传动原理、传动误差以及...

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