差速器齿轮疲劳寿命仿真分析方法研究

差速器齿轮疲劳寿命仿真分析方法研究何寄平 苏新涛 万方军 田凤霞 黄登摘 要：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。关键词： 差速器 疲劳寿命 仿真分析 lsdyna fatigue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 【1】 。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 【2】 。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。1 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2 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 s抗拉强度 b20CrMnTiH207GPa N/m2 0.25 7.8103kg/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 348a) 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3 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