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变速器齿轮承载能力分析方法的研究及应用

张磊  
【摘要】:变速器的种类很多,包括:手动变速器,自动变速器,无级变速器,机械式自动变速器,以及双离合变速器。无论哪种类型的变速器,齿轮都是主要的传动部件,齿轮的承载能力与可靠性,直接关系着传动质量,进而影响整车性能。 齿轮承载能力分析国家标准涉及到大量的系数,求解非常繁琐,而且在齿轮整个结构区域内无法获得位移场、温度场和应力场的变化。齿轮试验也只能得到齿轮的疲劳寿命和极限应力,对齿轮实际运转过程中的内部应力或温度则无法直接测量。为了保证齿轮不发生破坏,只能将齿轮设计得偏于保守。随着计算机和软件技术的高速发展,作为一种应用范围广泛的现代数值分析方法,有限元法已经在齿轮设计与分析中得到应用。应用有限法不仅能够实现接触、弯曲和胶合的承载能力分析,而且还能够优化齿轮齿形,实现齿轮的轻量化设计。 本文在国家863高技术研究发展计划重点项目(2006AA110104)与吉林省科技发展计划项目(20076029)支持和资助下,根据汽车行业的特点,研究变速器齿轮承载能力分析经典方法和有限元法,通过对某型实际变速器的研究,探索相应的分析流程和规范。 比较了各种类型变速器传动的优缺点,分析了变速器齿轮研究的背景和意义,以及国内外齿轮承载能力研究现状,针对齿轮常见的三种失效形式,即齿面剥落(点蚀)、轮齿折断、以及齿面胶合进行综述和分析,提出本文研究的内容。 面向工程应用,对齿轮接触和弯曲承载能力分析标准GB/T3480-1997中载荷修正系数、计算应力修正系数、许用应力修正系数,计算应力和许用应力等各种系数与应力公式进行了系统分析和总结,应用APDL开发了齿轮接触与弯曲承载能力分析的计算机程序模块,既便于应用又为后续齿轮接触和弯曲有限元分析结果的验证提供了必要的依据。 面向工程应用,对齿轮胶合承载能力分析的闪温法标准GB/Z6413.1与积分温度法标准GB/Z6413.2所包含的基本参数、瞬时温升及其修正系数、积分温升及其修正系数、闪温胶合准则和积分胶合准则等进行系统分析和总结,应用APDL开发了齿轮胶合承载能力分析的计算机程序模块,实现了对啮合齿面温度的快速、准确预测。 建立了用于接触、弯曲和温度有限元分析的参数化三维齿轮实体几何模型,各主要啮合点的三维齿轮接触有限元模型,适用于不同啮合点、齿轮齿廓和旋向变化的三维齿轮弯曲有限元模型。面向工程应用,利用APDL开发了齿轮参数化实体几何模型和与齿轮啮合过程对应的接触和弯曲有限元模型自动化实现计算机程序模块,对齿轮瞬时温度分析有限元建模的基本参数进行了研究,通过对齿轮瞬时温度分析基本理论的分析,建立了齿轮瞬时温度分析的边界条件,随时间和位置变化移动热源载荷,提出了在ANSYS处理移动热源加载方法。应用APDL开发了齿轮瞬时温度分析有限元模型自动实现的计算机程序模块。以便能够准确预测齿轮的温度分布状态。 根据汽车行业的特点,结合某变速器逆向设计的需要,应用开发的经典方法和有限元法自动实现模块,针对变速器齿轮承载能力分析遇到的问题,从接触、弯曲和胶合三个方面对变速器齿轮承载能力进行了研究与分析。 本文的创新点为: (1)面向工程应用,对齿轮接触和弯曲承载能力分析标准GB/T3480-1997,胶合承载能力分析闪温法标准GB/Z6413.1-2003和积分温度法标准GB/Z6413.2-2003进行了分析和总结,应用APDL开发了齿轮接触、弯曲、闪温和积分温度承载能力分析的计算机程序模块,只要输入齿轮承载能力分析的原始数据,就可自动完成齿轮承载能力的经典分析,不但提高了计算效率和准确性,而且避免了以往使用简化公式或查阅图表所带来的误差。 (2)依据齿轮啮合的几何位置关系,建立了各主要啮合点的三维齿轮接触有限元模型,可以全面分析齿轮啮合过程中接触状态的变化。针对三维齿轮弯曲有限元建模的啮合接触线和作用载荷确定的核心问题进行了研究,根据斜齿轮的载荷接触线分布原理,提出了便于工程应用的三维齿轮弯曲有限元模型接触线确定方法和载荷假设,不但适用于齿轮不同啮合位置、齿轮齿廓及齿轮旋向的变化,而且解决了多对齿轮啮合时的齿向载荷分布和齿间载荷分配问题。 (3)提出了齿轮齿面区域平均换热系数、齿轮单个齿面区域平均摩擦热流密度及其确定方法,避免了以往采用恒定换热系数和摩擦热流密度的不足,使结果更接近于真实的轮齿温度分布状态。通过对齿面瞬时加热和温升机理的研究,将随齿轮啮合过程不断变化的摩擦热,转变为随时间和位置变化的移动函数热源载荷问题,提出在ANSYS中处理移动热源函数的加载方法,不但可以解齿轮任意啮合位置的齿面瞬时温升,而且对于求解各种平面和曲面类型的移动函数载荷问题都具有借鉴意义。 (4)应用APDL开发了齿轮参数化实体几何模型、与齿轮啮合过程对应的接触和弯曲有限元模型、齿轮瞬时温度分析有限元模型自动实现的计算机程序模块,只要输入齿轮的原始数据,就能自动完成齿轮承载能力的有限元分析。结合某变速器逆向设计的需要,联合应用齿轮承载能力经典分析计算机程序模块,全面实现了变速器齿轮接触、弯曲和胶合承载能力的一体化经典分析和有限元分析,克服了以往只能实现某一种承载能力分析的不足。


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