汽车变速器齿轮的强度分析.doc

1、汽车变速器齿轮的强度分析摘要：随着汽车技术的不断提高，对变速器结构强度的要求越来越高，作为变速器关键部件的齿轮，工作环境恶劣，易损坏。齿轮的质量关系着变速器能否平稳高效运转。齿轮强度分析，是齿轮承载能力、振动、噪声、齿形优化等研究的基础。变速器齿轮常见损坏形式有接触疲劳引起的齿面点蚀和弯曲疲劳引起的轮齿折断。为判断是否发生损坏，需进行齿轮接触强度和弯曲强度分析。运用经典方法分析齿轮强度，需要计算的系数很多，计算过程繁琐。因此，有必要对其分析过程进行规范化总结归纳，并开发出带有专业特点的齿轮强度分析模块，使用户只需输入一些参数，按照一定的流程操作，即可完成齿轮强度分析。变速器齿轮接触和弯曲问题的

2、有限元分析，是齿轮结构设计与优化的有效手段。建立有效的有限元分析模型，准确求解齿轮的应力与变形有重要意义。运用有限元法进行齿轮接触和弯曲问题仿真，在接触刚度、网格划分方法、网格疏密控制、载荷作用位置等方面还存在一些问题，有必要对其进行深入研究。目前，有限元软件中尚没有专门的齿轮应力建模与仿真模块，实现齿轮应力有限元分析模块的二次开发，可以提高工作效率，缩短设计周期。关键词：变速器齿轮，接触强度，弯曲强度Auto ransmission gear strength analysisAbstract ：With the continuous improvement of automotive te

3、chnology,the demand of the transmission structural strength has become more and more increasingly.As a key component of the transmission,the working conditions of gears are poor and the gears are easy to damage. The quality of gears decides whether the transmission can operate smoothly and efficient

4、ly or not.The analysis of gear strength is the basis for the research of the gears carrying capacity,vibration,noise,profile optimization.The common forms of damage are tooth surface pitting caused by contact and tooth broken caused by bending fatigue.As to determine whether the damage occurred,the

5、gear contact and bending strength need to analyze.Using classical method to calculate gear strength, many factors need to calculate,the process is very trouble.It is necessary to normalize and summarize the analysis process,and to develop the gear strength analysis professional module.The complete g

6、ear strength can be finished the certain input parameters are only provided. The finite element analysis of transmission gear contact and bending is an effective means of gear structural design and optimization.To establish the efficient and precise analysis of the gear contact and bending stress,th

7、ere are some problems in the contact rigidity,mesh method,mesh density control,load lines.It is necessary to conduct in-depth study. There are so many gear pairs in transmission that it is difficult to analyze and calculate.At present, there is no application software having special module for gear

8、stress simulation analysis. To develop professional modules of parametric modeling and simulation for gear stress analysis can greatly improve efficiency and shorten the design cycle.目 录1绪论11.1变速器齿轮强度分析的研究背景11.1.1变速器齿轮失效形式11.1.2变速器齿轮强度分析方法11.2变速器齿轮强度分析与评价的研究现状21.2.1变速器齿轮强度分析的经典方法21.2.2变速器齿轮强度分析的有限元法

9、31.2.3变速器齿轮强度评价方法41.3有限元软件ANSYS概述51.3.1 ANSYS简介51.3.2 ANSYS内部语言简介51.3.3 ANSYS二次开发功能51.4本文主要研究工作62齿轮强度经典分析方法72.1齿轮接触应力和齿根应力分析的经典方法72.1.1齿轮接触应力分析经典方法72.1.2齿根应力分析经典方法72.2齿轮许用接触应力分析经典方法82.2.1齿轮许用接触应力82. 2. 2接触寿命系数92.2.3润滑剂系数102.2.4速度系数102.2.5粗糙度系数112.2.6工作硬化系数112.2.7接触尺寸系数122.3齿轮许用齿根应力分析经典方法122.3.1齿轮许用齿

10、根应力122.3.2弯曲寿命系数122.3.3相对齿根圆角敏感系数142.3.4相对齿根表面状况系数152.3.5弯曲尺寸系数162.4本章小结163齿轮应力分析有限元法163.1面-面接触有限元分析关键问题173.1.1接触面和目标面确定173.1.2单元类型选择173.1.3接触协调条件193.2斜齿轮接触应力分析有限元法203.2.1单元属性定义203.2.2网格划分方法研究与应用213.2.3接触单元和目标单元生成253.2.4接触应力求解与结果分析263.2.5接触应力仿真影响因素分析273.3斜齿轮弯曲应力分析有限元法303.3.2整体单元尺寸对仿真影响分析323.3.3线网格细化

11、对仿真影响分析343.3.4面网格细化对仿真影响分析373.3.5网格划分控制确定423.3.6不同载荷作用位置对仿真影响分析433.4本章小结474全文总结48致谢50参考文献51III1绪论变速器对汽车动力性、经济性、操纵性等有直接影响1。齿轮作为汽车变速器的关键零部件，在变速和变载的复杂工况下工作，常处在高温、动载润滑条件较差的工作环境，易损坏2-4，齿轮质量关系着变速器能否平稳高效地运转。近年来，随着变速器向小型轻量化方向发展，对变速器齿轮强度分析与评价提出了更高的要求。1.1变速器齿轮强度分析的研究背景1.1.1变速器齿轮失效形式变速器齿轮强度分析，是针对变速器齿轮常见失效形式进行的

12、承载能力分析。变速器齿轮常见失效形式，是齿面疲劳点蚀和轮齿折断。齿轮工作时，一对齿轮相互啮合，齿面相互挤压，当接触应力超过许用接触应力时，会在齿面或离齿面一定深度处产生微小裂纹，裂纹逐渐扩展，齿面出现微小块状剥落而形成小麻点，这种现象，称为齿面点蚀。它会使齿形误差加大，产生动载荷，并可能导致轮齿折断5。轮齿折断发生的情况有：齿轮受到足够大的冲击载荷，造成轮齿弯曲折断；齿轮在重复载荷作用下，齿根产生疲劳裂纹，裂纹扩展深度逐渐加大，然后出现轮齿弯曲折断。轮齿折断，一般发生在齿根处。汽车变速器中，常见轮齿折断的情况是后者，轮齿折断时，变速器会发生突然的撞击声6。变速器齿轮，只有齿面具备一定的抗接触疲

13、劳能力，齿根具备一定的抗弯曲疲劳能力，才能保证其在预定寿命内正常工作7-9。1.1.2变速器齿轮强度分析方法目前，进行变速器齿轮强度分析，有试验法和分析计算法。试验法，以齿轮的试验数据和结果为基础，分析齿轮的强度和变形。分析计算法，主要是应用经典力学、有限元、边界元等方法，通过建立齿轮力学模型，对齿轮强度进行分析。 为了解决试验法周期长、费用高，且只能在已制成的产品上进行，在设计阶段无法进行等问题，分析计算法受到了普遍重视。20世纪50年代以前，机械结构强度分析，主要是利用经典力学，将复杂的实际结构转化为简单的力学模型，通过一些途径使非线性力学或高次超静定模型转化为线性、静定或低次超静定模型进

14、行分析。随着科学技术的发展，有限元法和边界元法开始获得应用。有限元法（FEM，Finite Element Method），是一种离散化数值分析方法，它将一个结构看成是有限单元组成的集合体，单元通过有限节点链接，具有有限自由度，使计算分析成为可能10-12。边界元法（BEM，Boundary Element Method），是一种继有限元法之后发展起来的一种数值方法，与有限元法在连续体域内划分单元不同，边界元法只是在定义域的边界上划分单元，用满足控制方程的函数去逼近边界条件13。有限元法与边界元法的主要区别有：（1）有限元法属于区域法，其剖分涉及到整个区域，待求未知数多，求解方程规模大，输入数

15、据多，计算准备工作量大；边界元法只对边界离散，降低了求解问题的维数，求解规模小。（2）有限元法的矩阵带状稀疏，且保持对称正定性，适应复杂的几何形状和边界条件，适于求解非线性、非匀质问题；边界元法的矩阵为满秩矩阵，一般不能保证正定对称性，仅适应规则区域及边界条件，适于求解线性、匀质问题。（3）有限元法软件商业化程度高；边界元法软件商业化应用远远不如有限元法，在处理问题时，一般是针对某一问题专门编制程序。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅求解精度高，且可以求解结构形状和边界条件均很复杂的力学问题，应用领域相当广泛，适于求解齿轮接触问题和弯曲问题。变速器齿轮的设计研究，是有限元法应用较为广泛的领域之一。有限元技术的应用，可以提高变速器零部件设计的可靠性，缩短了设计周期。1.2变速器齿轮强度分析与评价的研究现状1.2.1变速器齿轮强度分析的经典方法经典方法研究变速器齿轮强度，主要是研究接触强度和弯曲强度。变速器齿轮接触强度分析，包括齿轮齿面接触应力分析和齿轮许用接触应力分析两部分内容；变速器齿轮弯曲强度分析，包括齿根应力分析和许