郭應(yīng)清

摘 要：差速器錐齒輪靜載強(qiáng)度是差速器可靠性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，相關(guān)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了指標(biāo)要求。文章以量產(chǎn)差速器錐齒輪作為研究對(duì)象，以現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為計(jì)算依據(jù)，基于有限元分析方法仿真計(jì)算出錐齒輪的齒根最大彎曲應(yīng)力，和靜扭試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果誤差在0.6%。關(guān)鍵詞：差速器錐齒輪;靜強(qiáng)度;Abaqus中圖分類號(hào)：U467? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）01-142-03

Abstract： The static strength of differential bevel gear is a very important index which defined in vehicle industrial standard. This paper uses abqus to simulate the maximum bending stress of kinds of volume production， the result reveal the error between simulation and static toque test is 0.6%.Keywords： Differential Bevel Gear; Static Strength; AbqusCLC NO.： U467 ?Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）01-142-03

前言

在進(jìn)行差速器選型設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于差速器的靜載強(qiáng)度主要依據(jù)是汽車變速箱行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T568《汽車機(jī)械式變速器總成技術(shù)條件及臺(tái)架測(cè)試方法》規(guī)定的乘用車靜載強(qiáng)度需滿足2.5倍以上的安全系數(shù)[1]，但目前國(guó)內(nèi)汽車的差速器供應(yīng)商的錐齒輪強(qiáng)度校核能力較薄弱，部分供應(yīng)商甚至沒(méi)有校核能力，給各零部件企業(yè)及主機(jī)廠進(jìn)行差速器匹配選型帶來(lái)困難，因此需要開(kāi)展對(duì)錐齒輪強(qiáng)度的校核方法的研究十分有必要。

本文介紹一種利用有限元法對(duì)錐齒輪的靜強(qiáng)度進(jìn)行校核的方法，以hyperworks為前處理器，以Abaqus為求解器和處理器。按照量產(chǎn)差速器靜扭的試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出齒根彎曲應(yīng)力的許用值，并以此評(píng)價(jià)新選型差速器錐齒輪的安全系數(shù)。

1 錐齒輪模型建立

利用有限元分析新選型差速器錐齒輪需要準(zhǔn)確的三維模型，但很難在軟件中繪制出精確的錐齒輪齒形，因此本文先利用錐齒輪參數(shù)化建模方法繪制3D生成一對(duì)非常理想的差速器錐齒輪模型，然后將數(shù)模導(dǎo)入PRO/E中，進(jìn)行切齒，使差速器錐齒輪數(shù)?；旧虾蛨D紙一致。但三維模型腹板和實(shí)際差速器錐齒輪的腹板尺寸有所差別，需要在PRO/E中進(jìn)行繪圖，在保證齒形和裝配關(guān)系不變的情況下，使腹板和圖紙基本保持一致。

2 Abqus仿真分析及測(cè)試結(jié)果

2.1 前處理

對(duì)錐齒輪網(wǎng)格劃分采用hyperworks軟件，在網(wǎng)格劃分時(shí)，為了保證分析的準(zhǔn)確性需要對(duì)接觸區(qū)域和要關(guān)注的齒根出在劃分網(wǎng)格時(shí)需要加密處理。如圖所示：

在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，如圖2所示的行星輪齒根處，半軸齒輪齒根處，行星齒輪和半軸齒輪接觸面處進(jìn)行加密處理。

在創(chuàng)建接觸對(duì)時(shí)，可以通過(guò)接觸模塊創(chuàng)建接觸對(duì)，在創(chuàng)建接觸對(duì)時(shí)要識(shí)別好接觸面，根據(jù)齒輪的實(shí)際接觸情況，定義為齒輪的接觸類型為摩擦，其摩擦系數(shù)為0.1。

對(duì)于錐齒輪選用線彈性材料屬性，彈性模量為210000 MPa，泊松比0.3。另外在對(duì)錐齒輪進(jìn)行分析的時(shí)候，需要對(duì)錐齒輪施加扭矩，所以要對(duì)行星錐齒輪和半軸錐齒輪施加剛性單元。如圖是定義界面：

2.2 載荷定義及邊界條件設(shè)置

以目前量產(chǎn)差速器測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的破壞扭矩作為輸入條件，計(jì)算齒根處的最大彎曲應(yīng)力作為錐齒輪的強(qiáng)度安全系數(shù)對(duì)比，量產(chǎn)差速器計(jì)算結(jié)果顯示當(dāng)錐齒輪齒根彎曲應(yīng)力達(dá)到3470MPa時(shí)會(huì)發(fā)生斷裂。

定義載荷和邊界條件，后處理計(jì)算采用Abaqus軟件，同時(shí)，變速箱的輸入扭矩為250Nm。

如上圖所示，行星齒輪施加一個(gè)逆時(shí)針的扭矩為641.973 N.m，其余五個(gè)自由度進(jìn)行約束，半軸齒輪進(jìn)行固定。

邊界條件定義界面如上圖所示，定義好載荷和邊界條件，然后進(jìn)行提交計(jì)算即可。

2.3 后處理

軟件提示計(jì)算，可以通過(guò)Visualization界面查看錐齒輪的齒根彎曲應(yīng)力。

重復(fù)以上操作，可以求的半軸齒輪在單齒嚙合最高點(diǎn)的齒根應(yīng)力，分別為962MPa和1347MPa。因此最大彎曲應(yīng)力發(fā)生在半軸齒輪的齒根處，其安全系數(shù)為S1=3450/1347= 2.56。

2.4 靜扭試驗(yàn)結(jié)果

后期針對(duì)此款差速器進(jìn)行了靜扭測(cè)試，試驗(yàn)輸入扭矩進(jìn)行到644Nm時(shí)發(fā)生斷裂，拆解發(fā)現(xiàn)發(fā)生斷裂的為半軸齒輪，和仿真分析結(jié)果一致。

基于以上測(cè)試結(jié)果，靜載安全系數(shù)為S2=644Nm/250Nm= 2.576，和計(jì)算結(jié)果得到的安全系數(shù)S1相比誤差為0.6%。

3 結(jié)論

本文針對(duì)錐齒輪的靜強(qiáng)度計(jì)算，以量產(chǎn)差速器靜載強(qiáng)度作為對(duì)比條件，利用有限元軟件Abaqus以及其他輔助工具鏈。通過(guò)網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置、載荷施加、單齒嚙合點(diǎn)定義等步驟，計(jì)算出新選型差速器行星齒輪和半軸齒輪的最大齒根彎曲應(yīng)力值，通過(guò)和靜扭試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，仿真和測(cè)試的誤差在0.6%，精度較高。

參考文獻(xiàn)

[1] QC/T568.汽車機(jī)械式變速器總成技術(shù)條件及臺(tái)架測(cè)試方法[S].