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  1 引言
  
  变速箱的二轴作为汽车动力系统的重要组成部件,其主要作用是传递发动机的动力,驱动四轮,其性能的好坏直接影响整车的动力性和安全性及NVH问题。二轴连接着变速箱一轴和传动轴,在汽车行驶过程中,将来自发动机的一切力和力矩,传递给传动轴。因此变速箱二轴的强度和质量必须满足一定的要求。
  
  本文针对本公司某变速箱二轴花键处断裂问题,通过对二轴花键的齿面接触强度、齿根弯曲强度、齿根剪切强度和扭转与弯曲强度的计算,分析二轴花键的强度设计问题。同时结合有限元技术,对二轴花键的应力和应变分析,验证理论计算,结合花键断裂故障图分析断裂原因。
  
  2 基本参数与二轴花键校核
  
  2.1基本参数
  
  该车的变速箱二轴为输出轴。造成二轴花键处断裂原因很多,本文主要针对二轴花键的强度的设计问题进行故障分析。参照花键承载能力计算国家标准,利用变速箱二轴的花键的基础数据表1,对花键强度进行校核计算。该变速箱二轴采用的是20CrMoH材料。
  
   表1 变速箱二轴花键的基础数据  
  表1 变速箱二轴花键的基础数据
  
  2.2花键校核
  
  根据二轴花键断面失效形式,发现断裂位置为花键齿根处。利用花键强度校核标准,对某变速箱二轴的花键进行强度校核。主要对花键齿面接触强度、齿根弯曲强度、齿根剪切强度和扭转与弯曲强度进行校核。
  
  a)花键齿面接触CAE强度计算:

  
  公式一 花键齿面接触强度计算
  
  W-单位载荷;hw-工作齿高;由花键的基础数据,计算出W和hw,代入式(1)花键齿面接触强度(δH)为45Mpa。
  
  b)齿根弯曲强度计算:

  
  公式二 齿根弯曲强度计算
  
  将h-全齿高,W一单位载荷,αD-压力角,SFn-危险截面的弦齿厚的计算数值,代入式(2),齿根弯曲强度(δF)为82Mpa。
  
  c)齿根剪切强度计算:

  
  公式三 齿根剪切强度计算
  
  将τtn-剪切应力,αtn-应力集中系数计算结果代入式(3),齿根剪切强度(τFmax)为1264Mpa。
  
  d)扭转与弯曲强度计算:
    
  将δFn-弯曲应力和τtn-剪切应力计算结果代入式(4),扭转与弯曲强度(δv)为739Mpa。
  
  综合二轴的花键强度的许用值和花键强度计算对比结果表2,发现齿根剪切强度和扭转与弯曲强度不满足强度要求。
  
  3 有限元模型
  
  3.1有限元模型
  
  采用hyper mesh对变速箱二轴建立有限元CAE仿真模型,模型采用四面体的网格划分;因为传动轴属于阶梯轴,阶梯槽容易出现应力集中,所以对阶梯槽处的网格进行细划分;变速箱的二轴的断裂位置在花键处,说明花键处的受力大,此部分也是重点考虑的对象,所以需对花键处网格进行细化;图1是某变速箱二轴有限模型,该模型共划分了323123个单元,411768个节点。


  
   图1 某变速箱二轴有限元模型   
  图1 某变速箱二轴有限元模型


  
  3.2载荷与边界条件
  
  二轴出现断裂故障,主要因为轴承受强度过大。轿车处一档时,变速箱二轴传动的力和力矩是最大,所以一档力的传递扭距为加载大小,以一挡加载情况为边界,进行加载分析。根据二轴的工作性质可知,二轴主要承受的是转矩作用。在施加载荷时,可以约束二轴的一端,然后在其另一端施加转矩。根据实际工况,约束了二轴输出端的所有自由度,然后在二轴的输入端的一档位置,施加3236Nm的中心扭距,图2。


  
   图2 加载及约束边界  
  图2 加载及约束边界


  
  3.3材料特性


  
  表3 材料特性表   
  表3 材料特性表


  
  4 有限元分析结果
  
  将前处理好的模型,导入Abaqus计算。然后对结果后处理,获得变速箱二轴的应力分布和应变的分布等数值结果。变速箱二轴的Von Misses应力分布如图3所示。图3的Mises应力和图4的应变分布是合理正确的;从图3发现,最大Mises应力值为7016.144MPa,远大于变速箱二轴的抗拉强度。最大应力出现在二轴的花键齿根处,二轴正是在花键齿根处断裂。图4是二轴的应变分布图。由图可见二轴的最大应变为0.026,位于二轴齿根处。应力和应变最大的位置位于变速箱二轴的花键齿根部,如图中mark标记位置。综合应力和应变的分析结果,发现花键齿根的应力远大于材料的抗拉强度,即会在花键处发生断裂。


  
   图3 某变速箱二轴应力分布  
  图3 某变速箱二轴应力分布
  
   图4 某变速箱二轴应变分布   
  图4 某变速箱二轴应变分布


  
  图5和图5分别是有限元分析结果和二轴断裂图。从图5发现,二轴的花键发生了扭曲变形;在承受一个大扭转时,花键的齿根的应力值大于材料的抗拉强度。图6可以看到,二轴花键发生比较大的扭曲,而且断裂的裂缝很大。综合图5和图6,可以发现花键是在大的扭距作用下产生裂纹进而断裂失效。有限元分析正确的重现了,某变速箱二轴断裂,CAE软件分析结果和故障是一致。
  


   图5 数值模拟断裂位置  
  图5 数值模拟断裂位置
  
   图6 故障断裂位置   
  图6 故障断裂位置
  


  图6与图7是二轴花键处断口图。从图7有限元分析断口处,可以发现齿根的应力值相对周围要很大。由有限元分析,说明花键的断裂是从齿根开始断裂的。图8是二轴花键的断口。由二轴的断口图发现,花键齿根处断面颜色很深,即说明二轴断裂是从齿根开始断裂的。综合有限元分析结果和二轴的断面,说明数值模拟重现了故障。同时验证了二轴花键的断裂原因,是二轴强度不足的设计问题。


  
   图7 数值模拟断口  
  图7 数值模拟断口
  
  图8 故障断口   
  图8 故障断口
  


  5 结论
  
  (1)利用有限元方法重现了二轴花键断裂故障,并二轴花键的断裂形式和断口面与故障有很好的吻合。
  
  (2)利用有限元方法和理论计算核实了二轴花键的强度;通过有限元和理论计算发现,二轴花键的齿根强度不满足材料的强度要求。所以在后续的改善方案,主要针对提高二轴花键的强度。
  
  (3)本有限元分析对于变速箱的二轴的花键的改善提供了指导性意义。

来源:http://articles.e-works.net.cn/cae/

发表于: 2015-07-29 16:43 阅读(765) 评论(0) 收藏 好文推荐

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