减速器齿轮的疲劳强度分析

/河南科技学院新科学院20１7届本科毕业论文(设计）减速器齿轮的疲劳强度分析学生姓名：董志文所在系别：机械工程系所学专业:机械设计制造及其自动化导师姓名：宁欣完成时间：20１7年5月１0日摘要随着汽车工业与交通运输的发展，汽车更新换代的速度不断加快.对于报废汽车而言,一方面是社会与环境的沉重负担,另一方面又是极具经济价值的“资源"。报废汽车不仅可以进行材料回收和零部件再制造，部分零部件甚至可以直接重复利用。但目前还缺乏对服役零件进行再制造的评判依据，其中零件剩余寿命是衡量零件再制造的主要依据之一。论文先从疲劳寿命预测基本方法和流程出发，介绍了目前惯用的四种疲劳寿命计算方法，即名义应力法、局部应力应变法、应力场强法和裂纹扩展寿命法.并对其进行了对比分析,最终选择适合本文的研究方法名义应力法.接着文中重点介绍了减速器齿轮疲劳寿命预测过程，包括减速器齿轮三维模型的建立，有限元模型的建立，其工作载荷谱的提取及齿轮轴材料S—N曲线的得出.最后在专业疲劳分析软件MSC.Fａtigue中计算出该齿轮轴的疲劳寿命.最后引用了一个算例验证了该方法的准确性和可行性。关键词:齿轮轴；疲劳寿命；三维模型ﻬABＳTＲACＴWitｈthｅdevｅlopmeｎtofautomoｂiｌeindｕstrｙanｄtrａnｓpoｒtation，tｈeｓｐeedofautomoｂiｌerｅplacementiｓacｃｅleratｉnｇ。Ｆoｒscrapcars，onthｅoｎｅｈaｎd,itｉsaheavyburdｅnofｓｏcietyandenvirｏnment,onｔheｏtherhanｄ，itｉsａｒesourｃeｗithgｒeatｅｃｏnomicvalue"．Sｃｒａpcarscanｎotｏnlｙcarryｏutｍaｔeｒialrecycｌinｇaｎｄｐaｒtsremａnｕfacturing,ａndsomeparｔscａneｖenbereusedｄirｅctly。However，thereisstiｌlａlａcｋofevａlｕationcriｔerｉaforrｅｍanｕfacturｉnｇｏfｓerｖiceparts,inwhｉcｈsparelｉｆｅｏfpartsisｏnｅoftｈｅmaincriterｉatoｍｅasｕrepaｒtsreｍanufａcturing。Thｅｐaｐerstａrｔsｆromthｅbａsicｆatｉｇueｌiｆｅpreｄicｔiｏnmetｈｏdandprocess,intｒｏｄｕｃesthecalｃulaｔinｇmethoｄoffｏurkindsｏffatｉgｕeliｆeｉscurrentlyuｓed,i．e.thenｏmｉｎalstreｓsmｅｔhod,localｓtreｓs—sｔrain，stｒeｓsfieｌdaｎdcrackｐｒopaｇatioｎlｉｆemｅthod．Anｄmakｅaｃoｍｐaraｔiｖｅaｎalyｓｉsoftheｍ,ａｎｄfｉnalｌyｓｅlｅcｔｔherｅsearｃhmｅthｏdwｈichissuitablｅfortｈｉｓpａｐer，thｅnominａlstｒeｓsmeｔhod。Thenthispaperｆocｕsesonthepredictionｏfｆａtｉgｕｅliｆｅｏｆgearｄeceleｒatiｏnpｒocess,ｉnｃｌｕdingｔｈeｅstablisｈｍentoｆthree—dｉmｅnsｉonａlmoｄelｏfｇearrｅｄucer,finｉｔeeleｍenｔmoｄeｌ,theeｘtrａｃｔionaｎdtheloadsｐｅctrumofgeaｒshaｆｔmａtｅrialＳ—Ncurve。Finally,ｔhｅｆatigｕｅlifｅoftｈｅgearshafｔｉscalｃulaｔediｎtｈｅｐrofessiｏnａｌfatigｕeanalyｓissofｔwaｒeMSC.Ｆaｔｉgue．Fｉnalｌy,ａｎumｅricalexａmpｌeisgiventoveriｆｙｔheaccurａcｙaｎｄfeａsｉbilｉｔyoftheprｏposｅdmｅｔhｏd．Keｙworｄs：gearsｈａft；fatｉgｕelife;3Dmｏｄelﻬ目录TOＣ\o”1－３＂\ｈ＼z＼uHYＰERLINK\ｌ"＿Toc4９２56２０７2"1引言ﻩPAGＥREF＿Toｃ4９25６2072\ｈ6HYＰＥRLＩNK\l”_Toｃ4９２５６207３"2相关理论ﻩPAＧEREF_Tｏc４92５620７3\h6HＹPERLＩＮK\l”_Toc49256２074"2.1疲劳的基本概念ﻩPAGEREF_Ｔoc４9256207４\h6HＹPＥRLIＮK\l”＿Ｔｏｃ4925６2075＂2．２影响疲劳寿命的因素ﻩＰAGＥREF_Toc49２5６２07５\h7HＹPEＲLＩＮK\l”_Tｏｃ4９２56207６”2。2.1尺寸效应的影响 PＡＧERＥF_Ｔoc4９2５62０76\ｈ7HYPERLINK\ｌ"_Tｏc4925６２０77＂2.2.２表面加工状况的影响 PＡGEＲEF_Toc４925６2077\h8HYPERLINK\l”_Tｏc4925620７8”2。2。４载荷特性的影响 PAGＥRＥF_Toc4９256207８\h8HYＰＥRLIＮK\l"＿Toc492５6２079"2．2.5装配与连接效应的影响 ＰAGEREF＿Tｏc4925６２079\h9HYPERLINK＼l"_Toc4925６2080"２．3汽车齿轮轴概念 PAＧEREF＿Ｔｏc492562080\h9ＨＹPERLINK\ｌ”_Ｔoｃ492562081”３减速器齿轮的应力分析及疲劳寿命预测ﻩPAGEREＦ＿Toc4925６２081＼ｈ10HＹＰERLINK\l”_Ｔoc4９256２０８2”3。１疲劳寿命预测方法及流程ﻩPAGEREＦ_Tｏc4９2５６2082\ｈ１0HYPERLINK\l”＿Tｏc49256208３＂3.2基于有限元分析的疲劳寿命分析方法ﻩPＡGEREＦ_Toc49２562083\ｈ11HYPERＬINK\l”_Toｃ4９２562084"３.３减速器齿轮有限元分析ﻩPAGEＲEF_Tｏc49２５6２０84\ｈ13ＨYPERLINK\l”_Toc4925620８5"3．3．1有限元软件的选用 PＡGEREＦ_Ｔｏｃ4９256２085\h１３ＨＹPERLINK\l＂_Toc49256２０８6"3.3。2减速器齿轮三维模型的建立 PAＧEREF_Toc４９256２０８6\ｈ15HYPEＲLINK\l＂_Toc4925６2087"3.3.３减速器齿轮有限元模型的建立 PAGEREF_Toｃ4９256２08７＼ｈ15HYPＥRＬINK3。４减速器齿轮材料的疲劳特性ﻩＰAGERＥF＿Ｔoｃ492５62089\h17HYPＥＲLINK\l＂_Toｃ49２562０90"3。4。1材料S－N曲线的定义ﻩPＡGERＥF_Toc４９256２090\h17HＹPERＬＩNK３。5载荷谱的处理ﻩＰAGEＲEF_Toｃ49256２0９2\h23HYPＥＲLINK＼l"_Tｏc4９2562093”３．5．1减速器载荷谱的获取ﻩPＡGＥＲEF_Ｔｏc４92５６20９3\h23HYPEＲLINＫ\l＂＿Tｏc49２562094＂3。５．2减速器齿轮动力学仿真分析ﻩＰAGＥREF_Ｔoc49２5620９4＼h24HＹPERＬINＫ\l”_Toｃ492562０9５”3．5。3减速器齿轮动力学仿真结果分析ﻩＰAGEREＦ＿Ｔoｃ49２５6２095\h２6HＹＰERLIＮＫ3．6减速器齿轮的疲劳寿命计算ﻩ２５６2096＼h2８HYＰERLＩＮK\l"＿Toｃ49２5620９７"３。7验证算例 PAGＥREF_Ｔoc４925６２0９7\h28ＨYPＥRLＩNK\ｌ”＿Tｏc４92５62０98”３.7.１构件疲劳寿命仿真过程分析 ＰＡＧEREF_Toc492５62098\h29ＨYＰERLＩNK＼l"＿Toｃ４92５62099＂３.7。２构件疲劳寿命理论计算及与仿真对比分析 PAＧＥＲEF＿Ｔoc4９２562099＼h31HＹPEＲLＩNＫ\l”_Toｃ４925６2１０0”4总结ﻩPAＧEＲEF_Toc4925６2100\h31ＨYPＥＲLINK参考文献ﻩPAGＥREF_Ｔoc49２562101＼h33HYＰERＬＩＮK\l”＿Toc4９2５6２102"致谢ﻩPＡGEＲEF＿Toc４92562102\ｈ351引言汽车工业和交通运输业的高速发展加速了汽车更新换代的步伐。现阶段，国内的汽车保有量逾50００万辆，每一年,全国范围内报废汽车逾200万。再来看西方发达国家，日、法、德三个国家每年报废的汽车数量分别达500万辆、１50万辆、1５0万辆之多。报废汽车上的很多零部件都因长时间工作存在不同程度的磨损，整车的使用性能也因此大幅下降，若仍强行继续使用,将引发环境、交通安全等各种各样的社会问题.废旧汽车零部件循环再利用主要分为两种形式，即一种是对零部件进行再制造加工重复利用，另一种就是进行材料直接回收,再经过熔炼等金属处理工艺获得新材料。但是考虑到的对零部件直接进行材料回收无论是从经济性还是环境性角度出发都不是最为理想的处理方式，零部件材料经熔炼后形成新的材料再到新的产品需要很大的附加值,其主要包括熔炼再生产的劳动成本、生产过程中所需能源消耗成本和生产设备工具损耗成本等。要想使汽车零部件循环再利用价值最大化,必须研究出一种界定是进行直接进行材料回收还是再制造加工重复利用的依据.2相关理论２.1疲劳的基本概念国际标准化组织（ＩSO)所推荐的“金属疲劳试验总则”对疲劳做了明确定义:受反复应力、应变所致，金属材料极有可能因此出现性质上的改变,通常，这种改变将造成材料断裂，亦或是破坏材料。该定义同样适用于非金属质地的材料。据此可见,所谓材料的疲劳破坏指的是材料受比其强度极限、屈服极限更低的交变应力（应变）反复作用所致而萌生、扩展裂纹,继而出现突然断裂的失效形式。整个疲劳破坏的过程如下:应力不断循环作用于结构，局部最高应力、承受应力最大的缺陷薄弱的位置将出现微裂纹，接下来，受交变应力所致而不断发展，形成宏观裂纹，再通过持续深入扩展,最后致使材料突然断裂。其微观过程纷繁复杂,就宏观而言,通常可将其划分成裂纹萌生、裂纹扩展、最终断裂这3大阶段。业内人士将裂纹萌生的位置称作裂纹源，通常,疲劳裂纹源都集中在局部应力最高、基体强度最弱的位置。弯曲、扭转类构件应力最高的位置是构件的表层，所以,诸如表面缺陷、表面加工刀痕等表面层就成为此类构件的裂纹源多发处。一般而言，金属材料以多晶体为主，局部应力很高的情况下，其晶粒之间极有可能出现滑移、晶界开裂的问题；所以，很多时候，金属夹杂物、滑移造成的开裂及晶界开裂都会导致金属材料萌生裂纹.那么，究竟裂纹要达到多长的长度才能称得上是裂纹萌生呢？对此,有专家给出了“工程尺寸裂纹"这一概念，对疲劳裂纹初始长度做了明确规定，凡是初始长度达到0。0７6毫米的裂纹都可称为裂纹萌生,这就为使用普通读数显微镜来观察裂纹提供了方便.疲劳裂纹扩展一般继裂纹萌生以后才会出现，通常可将其划分成如下两大阶段：第一阶段:裂纹顺着与负载方向大概45度方向持续扩展；第二阶段：顺着与负载方90度的方向扩展.疲劳破坏发展到最后阶段就会出现疲劳最终断裂,此时,裂纹持续不断地加深,面积越来越小，在应力趋于材料强度极限的情况下，材料就会出现瞬时断裂的现象。2。2影响疲劳寿命的因素2.2.1尺寸效应的影响应力集中对零部件疲劳性能造成的影响是相对零部件局部尺寸变化而言的,也就是零部件的局部尺寸特性。这里所说的尺寸效应对疲劳性能的影响是基于整个机械零部件的外部尺寸而言的。据疲劳强度受尺寸效应影响的特征可知，在整个零部件外观尺寸加大的情况下，零部件材料的疲劳性将随之降低;尺寸效应是因为如下原因所致:（1)零部件外观尺寸变大，构件表面的缺陷将随之增多，由此加大疲劳裂纹萌生的机率,其疲劳强度下降；（２）零部件外观尺寸变大的情况下，构件一旦受力发生扭转、弯曲，其截面应力就会随之梯度下降，令表层承受高应力部位的体积也随之变大，继而加大萌生疲劳裂纹的机率，使构件的疲劳强度随之下降。2．2．2表面加工状况的影响可将应力集中的现象有机融合起来全面解读表面加工状况给材料疲劳性能造成的影响.正是因为工加工艺过程各不相同，零部件表面的粗糙度也就各不相同。很明显，那些粗糙度大的位置将会发生比较大的尺寸变化,就更有可能出现应力集中,由此引发显著的应力集中现象；相反亦然。除此之外，零部件加工时难免会出现操作失误或不当的情况,零部件的表面将因此出现各种加工缺陷,由此引发应力集中。据此可见，表面加工状况给材料疲劳性能造成的影响主要是应力集中现象间接造成的。2。2．4载荷特性的影响所谓超载指的是零件承受超过材料疲劳极限的载荷;而次载则是指比疲劳极限低的应力。在高周疲劳、应力加大的情况下，将发生如下问题：极易出现多条裂纹;疲劳条带相隔的距离会变大；最终瞬断区的面积不断变大。当金属材料运行于疲劳极限应力以下时，在运转到一定次数之后，其疲劳极限将有效提升，人们将这种次载荷强化命名为次载锻炼;这极有可能是因应力应变循环出现的硬化和局部应力集中松驰所致.实际工作中,每种零件的载负频率都不一样，特定范围内，载荷频率能使材料的疲劳强度得到有效提升，这极有可能是因每周次塑性应变累积损伤量的差异所致。研究可知,载荷谱幅值将给疲劳寿命带来显著影响，当工作周期完全一致时，所受载荷的幅值的数值稍有变化将导致疲劳寿命出现显著变化；相反的，当载荷幅值完全一致时，载荷周期在一定范围内发生波动，根本不会给最终疲劳寿命带来很大的影响.2．2。5装配与连接效应的影响零部件的装配、连接一定要做到准确无误，这将严重影响到其自身的疲劳寿命。如：在装配轴类零件时,必需严格依照安装要求来操作,通过这种做法来有效规避安装过程中出现的误差，导致轴心出现偏移,造成无端的弯矩，受弯矩、扭矩联合作用所致，零部件的疲劳破坏会变得更快。安装带螺纹的零部件时，不要认为装得越紧越好，事实上，扭紧安装要适量,太紧将致使零部件的疲劳强度大幅下降。2.3汽车齿轮轴概念齿轮轴指支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。一般为金属圆杆状，各段可以有不同的直径。机器中作回转运动的零件就装在轴上。齿轮轴主要承受的是交变、冲击这两种载荷，因此而承受巨大的剪切应力与接触应力.其轴部极易出现裂纹，而齿部则极易出现磨损。这就要求其心部的强度、韧性都达到一定要求，在疲劳极限、抵御多次冲击方面都要有不错的表现，其表面的硬度、耐磨性也都要达到一定的要求。3减速器齿轮的应力分析及疲劳寿命预测3。1疲劳寿命预测方法及流程疲劳寿命的预测纷繁复杂,其基本步骤与具体流程参照下图3—1。其输入部分是通过结构属性、基本数据、疲劳载荷这三个部分一起组建而成的.各部分又分别包含着很多独立的问题,这些问题还能进行再分；受其设计结构、所用材料、所承受的负载及其所处环境的差异所致,结构的疲劳寿命预测的复杂程度也各不相同.图3-１疲劳寿命预测方法流程目前疲劳寿命计算主要有以下几种方法：一是名义应力法：其作为一种传统的安全疲劳寿命估算法，也是最早期的一种抗疲设计法;该法指出，同种材料制作而成的构件在应力集中系数KT、载荷谱都一致的情况下,其使用寿命也是相同的.该法基于材料、零件的S-Ｎ曲线，参照试件、结构疲劳危险部分的应力集中系数与名义应力,再把疲劳损伤累积理论有机融合为一体来对疲劳强度进行校核,准确算出构件的疲劳寿命。二是局部应力应变法：该法是通过如下流程来判定疲劳寿命的：第一步，先明确局部危险区的应变值；第二步,充分利用应变—寿命曲线来取得Nf；第三步，通过计算得出损伤、疲劳寿命.该法具备如下优势：能准确测量应变值，应变作为与低周疲劳有关的极好参数，只要取得应变集中位置的应力应变,再基本测量应变疲劳试验数据即可对零件裂纹形成寿命进行合理估算,无需进行大量疲劳实验,对于随机载荷的寿命估算尤其适用,很容易与计数法有机融合在一起,并将那些纷繁复杂的计算交给计算机来处理.三是应力场强法：该法将研究构件缺口位置的应力分布当作着手点，给出了一个辩证处理缺口的局部、总体情况的参数，使用这个参数来体现缺口件受载的严重程度，且将局部应力应变场强当作疲劳裂纹形成的一种有效控制参数。裂纹扩展分析是建立在断裂力学这一理论的基础之上的，其做出一个假定：裂纹是预先早就存在的，接下来再通过裂力学展开分析、进行试验，继而合理判定此类裂纹是不是定期检查时所查出的、之前就已经扩展到的临界尺寸，该法主要用来计算那些裂纹扩展速度不快且断裂韧性高的材料.3。2基于有限元分析的疲劳寿命分析方法传统有限元疲劳寿命分析模型极具通用性，通常要取得材料特性、外加负载、局部应力（应变）分布这三项数据，再把既有的疲劳损伤模型有机融合为一体来计算疲劳寿命。使用该法时,必需基于零件实际工况之下的载荷以及几何结构计算过程中的应力应变变化史来算出动态应力应变响应。在算出应力应变响应之后，再与材料参数、疲劳损伤模型有机融合起来进行计算,继而求得构件的疲劳寿命。其具体流程参照图示3—２：图3-2有限元疲劳分析流程本论文探讨的是减速器上所使用的齿轮轴，具体的有限元疲劳寿命分析基本思路如下：基于产品的二维图，利用Pｒo/Eｎgｉneer件来构建该齿轮的实体模型。基于有限元基本理论，使用Ｈyｐerｍesh软件来划分其网格，为其构建相应的有限元模型；接下来再使用该软件的输出模块把有限元模型导至ＭSＣ.Ｐatran中,处理好之后再使用MSＣ。Patran来分析其承受的应力，将减速器的工况及其制作材料的疲劳特性参数有机融合起来对该齿轮轴的疲劳寿命进行预估，具体流程参照下图3-3：图3-3有限元法齿轮轴疲劳寿命预测流程3．３减速器齿轮有限元分析3。3.1有限元软件的选用笔者在进行分析的过程中，完成了有限元的仿真工作，并根据仿真结果进行计算，确定疲劳寿命，为了保障计算结果的准确性,必须对软件的精度、效率以及连接不同软件的接口的可靠性，然后利用HYPERMEＳH完成预处理，在处理的过程中还需使用到ＭSC。Patｒan提供辅助，同时利用MSC。Nasｔrａn展开有限元计算;最后在ＭＳC。Faｔｉｇｕe环境下展开疲劳分析。接下来，笔者将对此次研究选择的有限元软件予以说明。有限元网格划分Hypermeｓｈ软件选用Hypeｒmesh[50],该软件在网格划分和优化方面的性能十分突出,对输入模型的兼容性十分广泛，能够接受如等格式的输入，且兼容不同求解器格式,能够完美兼容主流求解器,如等。和同类产品相比，Hypｅrmｅsh软件的优势主要体现在这些方面:划分性能强大、操作简单、网格密度和形状可以调整，并且单元质量有保障。2）前后处理MSＣ．Pａtｒan软件的选用MSC．Ｐatran［51],该系统是高度集成的，它在结构方面表现出开放性的特点，并且拥有不同的功能，在同一个界面里面能够进行工程设计和分析、结果评估等操作，提供了非常全面的CAＥ集成环境。和其他的前后处理器相比，MSＣ。Paｔrａn的优势主要体现在这些方面：智能处理模型、无需人工操作建模、提供可视化技术处理结果。另外，该工具在兼容性方面的表现十分突出。3)专业疲劳寿命预估软件MSC.Faｔigｕe的选用MSC．Fatｉgue［52］，该软件以有限元分析结果为输入,具有强大的偏劳分析功能，能够较为准确地预测各种构件的疲劳寿命，MＳＣ。Ｆatigue能够接收各种有限元软件输出的模型和结果,以及从后者标准库里面提取各方面的材料信息。当然,有些信息是来自用户的，该软件也能够直接接收。MSC。Fａtigue的主要用途即为构件疲劳寿命的分析，其分析对象主要有裂纹、应力寿命、焊接寿命、振动疲劳、点焊疲劳等，另外它还能够被用来预测构件使用寿命、测量虚拟应变片、采集相关的数据信息等。3。3。2减速器齿轮三维模型的建立按照产品图纸中的信息，利用Pro/Engineeｒ软件创建减速器齿轮的立体模型，详见下图3－4：图3－4某型减速器齿轮三维模型对上图进行分析可知，模型中并未包含所有的细节特征，这样简化处理的好处是方便后去的前后处理以及求解。在省略部分细节特征时,要避免影响到结构的力学性能，通常情况下能够简化的部分有次要区域的特征,以及计算后确定应力场分布范围内，应力较低的构件.3.3。３减速器齿轮有限元模型的建立完成上一节的工作后，将立体模型提供给Hypermesｈ软件，利用软件展开网格划分处理。笔者在本课题研究中,选择4节点四面体自由划分模型,得到5491个节点以及1７91３个单元。接下来,在软件里面设置模型的材料参数以及物理特性.减速器齿轮材料选择，下表详细介绍了该材料的部分力学参数：表3—1减速器齿轮材料及相关特性参数考虑到施加在齿轮上的大部分负载都是发动机的扭矩和动齿轮的啮合提供的，在加载扭矩的过程中，在齿轮轴和离合器交界位置选择某一节点,在此基础上创建多点约束。来自齿轮的啮合力基本上都由节线部位承受，在尚未化划分之前,首先创建一条节线的硬线，接着对沿节线的节点给予力的作用。此时得到的有限元模型详见下图3—５：图３-5某型减速器齿轮有限元模型3.3.4减速器齿轮应力计算结果与分析通过Ｈypｅrｍeｓh里面集成的输出模块，把模型提供给MＳＣ.Pａtｒａｎ,经过后者的处理后，通过MSC．Nastran对轴的应力展开分析，最后利用ＭSC。Patｒan完成后处理工作，经过有限元计算，得到的应力云图详见下图3-6:图3—6某型减速器齿轮应力云图对上图进行分析可知，齿轮的应力值不超过521MＰa,不超过材料的屈服标准8３5MPa，充分证明齿轮轴的刚度和强度是满足相关要求的,使用寿命较长.3.4减速器齿轮材料的疲劳特性3。４.1材料S—N曲线的定义疲劳寿命指的是构件直到无法继续使用后所作用的循环载荷的次数或时间，通常用N表示。外加应力S和N之间存在直接的关联,我们可以通过S—N曲线描述这种关联,按照目前的管理，曲线中的疲劳寿命为其中值，因此它也被叫做中值Ｓ-N曲线，其发明者为德国学者A．Wholer，因此部分学者将其叫做Wholｅr曲线。Ｎ和材料力学性能及其所承受的应力有关，其和材料的强度极限之间存在负相关关系，对构件样本进行相关的实验。和应力之间同样呈负相关关系。要绘制出Ｓ—N曲线，必须采用科学的方法,一般情况下,S-N曲线的纵坐标代表的是应力的上限值,即σmａx,或应力幅σａ。曲线里面的疲劳寿命往往都选择对数指标，应力可能使用线性或对数坐标,但不管选择哪一种坐标,最终的曲线都属于S—N曲线。3.4。2减速器齿轮材料S－Ｎ曲线的建立本齿轮是用20ＣrMｎTi合金结构钢制作的，这种材料在机械工业领域有着广泛的用途，其在工艺性能和萃取性方面表现十分突出,对其进行渗碳和淬火处理后，材料外部硬度和内部韧性大幅提高，并且对低温环境下的冲击具有很强的抗性,正火后切削性突出。对材料进行加热处理后，热敏感性将大幅降低，渗碳后，在超过800℃的温度环境下能够进行淬火处理。淬火后基本上形状不会改变。凭借着这些优势,这种材料被当做渗碳钢、调质钢的主要材料,并被广泛地用在汽车等工业产品中.根据相关的材料手册可知该材料在不同存活率下的疲劳寿命，详见下表3-2：表3-２20CrMｎTi合金结构钢在指定存活率下的疲劳寿命MSC。Fatigue通过双对数坐标图里面存在交点的两条直线描述材料的疲劳性能，要得到疲劳曲线，还必须确定某些特征点以及特征参数,即直线1在纵轴上的截距、两条直线交点在横轴上的投影点的坐标值,以及两条直线的斜率。假定Ｓ-Ｎ曲线在双对数坐标是直线段，在通过直线对数据点进行拟合处理后,可以通过最小二乘法获取最恰当的拟合直线,其方程为:lgN=a+blgσ其中：b=i=1a=i=1式中：n——数据点个数或应力水平数,其值为4；σi——第i个数据点最大应力,其值分别是,；Ni将已知的数据代入到公式中,确定：利用(３－1）进行计算，得到在当存活率等于50%的情况下，logσ-logNP曲线在纵坐标上的截距,也就是在NP值为零的情况下,将数据代入到中,确定logσ=-47.7422-12.1703=3.9228由lgN=a+blgσ（3—４)根据式（3—4)可知，第一条直线的斜率是,代入数据进行计算,确定通常情况下，两条直线对应的交点的疲劳寿命,这一点应力的值可以通过式（3—4)计算出来：logσ=则直线1跟直线2的交点为(log2×106，3.4050)，即考虑到在存活率等于50％情况下的疲劳极限是,寿命是,也就是在NＰ为的情况下此时可以确定直线2的起、终点分别是和此时能够计算出直线2的斜率B此时的值全部确定,据此能够绘制出在存活率等于50％的情况下，的双对数曲线。前文仅仅得到了在存活率等于50％的情况下，双对数曲线方程，通过该方程计算疲劳寿命，得到的结果的准确度仅为50％，而减速器对汽车的安全稳定运行有着重要的意义和作用，必须能够可靠地运行.因此,我们要通过其他的方法，实现更准确的预测，就来说就是确定在其他存活率情况下的疲劳寿命,以及对应的曲线的离散度SE。考虑到各种应力你情况下的都满足参数是的正态分布规律，因此通过标准正态分布表能够得到各种存活率下分布函数φ（Z）对应的标准正态分布的下分位点Z，这里面：Z=（logN查表得：∅∅∅由式(3-5）可知,SEi上式中，i的取值是;Nx的取值则是.据式（3—1）和式（3－2）进行计算,可以确定在时a，b的值，详见下表3-3：表３-3不同存活率下ａ，b对应的计算值在本课题的研究中,logσ依次取，那么根据式（３-1）进行计算，能够确定各个存活率下的值。在的情况下,能够计算出loglogloglog同理分别求出logσ=3.420及logσ=430.3时和各个存活率对应的logＮ的值，详见下表3—4：表３—４不同应力对数在不同存活率下所对应的寿命对数由式（3—6）可以得出标准差SEi表3－5标准差计算值应力水平下对数寿命分布的标准差存在差异，因此我们通过平均标准差反映出不同对数寿命数据，即曲线的离散程度，该标准差为:SE=将已经确定的参数提供给所含有的模块，从而得到齿轮轴材料的的曲线,详见下图3-7:图３—720CrMnＴi的logσ-logN3.5载荷谱的处理3。5。１减速器载荷谱的获取在分析载荷的特性时,采用概率统计方法,详细来说就是通过图形、表格、矩阵等，呈现出载荷各个方面的特性,得到载荷谱。当车辆前行或后退时，随机荷载施加在减速器上，载荷谱的准确性在很大程度上决定了疲劳寿命预测的准确性。通常情况下，人们通过在零部件的外部上粘贴应变花，从而得到实际载荷-时间历程.如果粘贴部位的形状有所改变,就会导致应变片形状的变化,出现拉伸应变或压缩应变现象，应变花搭建而成的电桥会提供不平衡信号，然后利用记录机将信号记录下来，得到的就是载荷—时间历程。目前，其他国家的减速器厂商进行了一系列的试验，确定了不同汽车以及减速器的载荷谱，这些都形成了其核心的数据库，用于减速器的设计。国内学者在探讨载荷谱时,基本上都在关注统计计数法、试验场强化系数等，大部分学者都在研究汽车传动系等构件。在计算机软硬件不断发展的过程中，越来越多的力学和机构设计等领域的学者基于多体系统动力学理论，提出了准确度很高的仿真技术。笔者创在本课题的研究中,创建多体动力学仿真模型来获取齿轮轴的载荷时间历程。3．５。2减速器齿轮动力学仿真分析本文采用仿真法来获取减速器的载荷谱。首先在三维造型软件Prｏ/Enginｅeｒ中建立减速器的动力学模型，如图3－8所示，然后在ＭＳC．ADAＭS中进行动力学仿真。能够实现和数据转换的接口有两种，即和.在进行本课题研究的过程中，考虑到模块的数据转换更为方便,并且无需关闭应用环境，就能够按照运动关系将装配的总成定义成机构系统,因此笔者选择这一模块来完成系统的动力学仿真.图３—8减速器动力学模型由于减速器减速器齿轮的左端是通过离合器、发动机关联在一起的,结合轴传输的功率以及转速,能够确定经离合器传输给轴的力偶矩。减速器的工作原理告诉我们，当减速器处于某档位时，只有一个档位齿轮和轴相连，其他齿轮都是游离的,限于文章篇幅，本文只分析减速器齿轮在一档工作时的动力学仿真分析。在建立减速器齿轮虚拟样机时，结合减速器的传动关系,对减速器齿轮和从动齿轮施加转动副约束,对两齿轮对间施加轮副约束。剩下的参数的设置，和虚拟样机模型详见下表3－6和图3—9：表３—６虚拟样机设置相关参数图3－9减速器齿轮啮合虚拟样机3。５.3减速器齿轮动力学仿真结果分析得到虚拟样机模型后,开展运动仿真分析,相关参数为:仿真时间0．5s、仿真步数１00步，确定在时间推移过程中,齿轮轴和从动齿轮啮合力的载荷谱曲线,详见下图３—1０：(Ⅰ）减速器齿轮与从动齿轮啮合圆周力变化曲线(Ⅱ)减速器齿轮与从动齿轮啮合径向力变化曲线(Ⅲ）减速器齿轮与从动齿轮啮合轴向力变化曲线图3—10减速器减速器齿轮动力学仿真分析结果对上图进行分析可知，减速器齿轮和从动轮啮合的圆周力、径向力、轴向力依次是,误差值分别为4．4％,3．7%，3.7％,与理论值相当的接近.3。6减速器齿轮的疲劳寿命计算结合材料的疲劳性能曲线,把时间历程载荷谱数据以及局部应力分布提供给ＭＳC。Faｔｉｇue，完成疲劳寿命仿真分析。在MSC.Faｔigue中计算得到减速器齿轮最危险点的疲劳寿命为49．2×108次。3.7验证算例疲劳寿命预测操作方法，现假定某构件的S-N曲线为N2S=25.110,S-N曲线如图3－11所示,承受的典型应力谱如表3－7所示，现采用疲劳仿真前一段其寿命并与理论值进行对比分析。图3-1１构件Ｓ—N曲线表3-7构件设计载荷谱３.7．1构件疲劳寿命仿真过程分析首先根据该构件的设计载荷谱创建所需载荷谱块，所得载荷谱块如图3-１2所示。图3－12构件载荷谱块的时间历程再次定义该构件的S—N曲线，在这里S-N曲线定义需要9个参数，在ＭＳC．Ｆatigue中把疲劳特性曲线分为三段来描述，第一段定义在(0，103）,第二段一般取(10３，106)，第三段定义在(1０6，＋∞），因此在本题中先求出Ｎ分别在103，10６时所对应的Ｓ值分别为３５３5.53４Ｍｐａ,111。803Mpa。这里将S—N曲线用一段直线来描述，所以b１＝ｂ2=-０.5,曲线是在对称载荷下试验得到的，所以R=－1。最终S—Ｎ曲线定义对话框如图3—13所示。图3-１3构件材料Ｓ—N曲线定义对话框最后设置疲劳系数修正和计算精度，最终计算出该构件的疲劳损伤为0。２3933,疲劳寿命为4.2Repeａｔs，即４.２年,其结果见图3-１4所示。图３-14构件疲劳寿命分析结果3.7．2构件疲劳寿命理论计算及与仿真对比分析由N2S=２5．110计算可得,在S分别对应P，０.8P，0。6Ｐ，０．4P时，N对应的值见表3—8所示.表３-8构件在载荷谱块下的寿命值ni表3—９构件在载荷块谱下的损伤计算值采用Minｅｒ法则计算累积疲劳损伤,可得：D=由此可计算出该构件的疲劳寿命n=与ＭＳC。Fatigue计算结果4。２年相比误差很小，这说明疲劳仿真有着很好的可行性和准确性。4总结在我国工业不断进步、国民生活质量持续改善的过程中，机电产品升级周期不断缩短，经济发展对资源提出了更高的要求。要充分满足这一要求,我们必须走（减量化)、（再利用）、（再循环）和（再制造)的经济发展道路，大力发展再制造工程。为了能够了解构件的再制造利用价值，首先必须确定其剩余寿命，然后是考虑再制造技术是否可行、经济效益是否可观等。参考文献［1]李法兴,翟正龙，孙永喜．汽车齿轮轴用钢SCM440Ｈ扭转疲劳寿命及断裂特征分析[J］。中国冶金，２0１4，05:21-２4.[2]汤传军,张键，李健，熊金胜。基于Workbｅnch减速器齿轮轴的疲劳分析[J].汽车实用技术,201４,02:1-4。[3］刘新猛，胡