齒輪彎曲疲勞強度試驗方法
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-12
齒輪彎曲疲勞強度試驗方法的實例教程
摘要：對現行的齒輪彎曲疲勞設計方法進行了研究，發現現行的方法如果采用按GBIT3480～1983齒輪彎曲疲勞實
驗方法，得出的數據進行齒輪的彎曲疲勞設計，只適用于齒輪單面受栽的情況。為了解決這一問題，從疲勞損傷的基本
理論出發，結合GB／T3480—1983齒輪彎曲疲勞實驗方法，推導出了求解齒輪雙面受栽彎曲疲勞應力的修正方法和相應
的計算公式，對原有的方法進行了補充。
雙面受載齒輪彎曲疲勞設計方法研究.pdf
展開 1.6材料參數
輪輻、輪輞的材料參數如下表1所示
2 邊界條件
2.1模型1、2彎曲工況強度分析邊界條件
根據車輪彎曲疲勞試驗的工作原理 [2],因為車輪內輪輞邊緣部分被試驗臺夾具壓緊固定，不能旋轉和移動，所以對內輪輞邊緣施加全約束，即六個自由蘇全部被約束。車輪承受的彎矩是通過加載軸施加的，在加載軸的自由端施加沿y、z方向施加隨時間變化的兩個力，該力的大小等于車輪試驗彎矩除以加載軸的長度：
其中，M為試驗彎矩載荷，L為加載軸長度，t為加載時間。
2.2模型3、4、5彎曲工況強度分析邊界條件
約束車輪內側邊緣6個方向的自由度[2]，在連接件與輪輻之間的5個螺栓上施加預緊力Fp=T/kd，其中T為螺栓的擰緊扭矩，k為汽車常用擰緊扭矩系數，d為螺栓的螺紋直徑。在加載軸的自由端沿y、z方向施加隨時間變化的兩個載荷：
2.3彎曲工況疲勞分析邊界條件
模擬車輪回轉彎曲疲勞試驗，計算車輪回轉彎曲疲勞壽命，螺栓安裝孔附近應力集中比較嚴重，最大Von Mises應力超過材料屈服強度。車輪實際安裝狀態下安裝孔附近一般不具強度風險，故不對此處靜強度及疲勞壽命做重點考察。
3 分析結果
3.1強度分析結果
考察螺栓孔附近、輪輻拉伸位置、通風孔附近的von Mises應力,如下圖5所示。
3.2疲勞分析結果
考察輪輻拉伸位置、通風孔附近的疲勞壽命如下圖6所示。
展開 通常情況下
汽車工程、船舶工程、家電、軍工、航空航天、工程機械、軌道交通
等領域產品在實際使用過程中不僅會遇到簡單靜強度破壞問題而且還會遇到各種更復雜的情況，如振動、沖擊、疲勞等現象，控制不好往往會使零部件壽命縮短、機械系統產生巨大噪音、影響產品可靠性，進而帶來巨大安全隱患。市面上多數培訓、教材只是針對有限元軟件基礎操作，缺乏實際工程應用背景，對于解決實際工程問題幫助不大。
特此開設基于ANSYS Workbench仿真平臺，結合理論分析及具有代表性的20個工程實例，對結構靜強度、振動、沖擊、疲勞、試驗模擬等多個方面進行培訓，幫助學員提升軟件操作能力、理論分析能力以及解決工作過程中遇到實際工程問題的能力。
展開 圖6 蝸輪齒根應力
Fig.6 Tooth root stress of worm gear
3.2 疲勞強度校核
汽車轉向系統中的尼龍蝸輪主要是齒根會產生彎曲疲勞失效問題，所以，對尼龍蝸輪進行彎曲疲勞強度校核具有重要意義。
蝸輪齒根處彎曲疲勞許用應力計算公式為[13]
式中，σFE 為蝸輪材料的彎曲疲勞強度的基本值；YN為彎曲強度計算的壽命系數，由疲勞周期表查得，為1.2；YδrelT 為齒根圓角敏感系數，由齒根圓角半徑計算得到，為0.95，YRrelT 為相對表面狀態系數，為1.12；YX為彎曲強度計算的尺寸系數，為1；SF min為彎曲強度最小安全系數，取為1.4。
計算得σFP=52 MPa，而蝸輪在載荷譜中最大轉矩點的應力值為σF=41.6 MPa，σF＜σFP，滿足抗疲勞設計要求。
4 疲勞分析
4.1 仿真疲勞分析
汽車轉向系統中的蝸輪材料為尼龍66，蝸桿材料為冷軋鋼，具體材料參數如表4所示。尼龍材料具有優良的耐磨、減震和自潤滑性能，選用尼龍蝸輪作為傳動機構，可以有效地減小振動，給駕駛員更好的駕駛操作手感。但汽車轉向系統使用工況復雜，而且尼龍蝸輪的各項強度遠低于金屬材料蝸輪，所以，對尼龍蝸輪進行疲勞分析有很大的研究價值和應用價值。
表4 材料參數
Tab.4 Material parameter
根據表3 中提供的材料參數，在RecurDyn 的Durability 模塊中，可以使用用戶定義的參數繪制材料的S-N 曲線。已知材料的極限強度和疲勞極限，可以利用Basquin 推導公式估計材料的S-N 曲線。汽車轉向系統中尼龍蝸輪的疲勞問題屬于高周疲勞，基于應力壽命準則進行疲勞分析，而S-N 曲線描述的是長疲勞壽命，所以，該方法適用于尼龍蝸輪的疲勞壽命研究。
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［12］ 全國齒輪標準化技術委員會.齒輪彎曲疲勞強度試驗方法：GB∕T14230-1993［S］.北京：中國標準出版社，1993：5-6.National Technical Committee on Gear Standardization.Test method for bending fatigue strength of gears：GB∕T14230-1993［S］.Beijing：China
各有關單位：
隨著智能制造和“工業4.0”建設步伐加速，CAE一直是產品開發過程中的催化劑，大大提高產品性能，降低研發成本，同時能夠使產品快速地推向市場。通常情況下
汽車工程、船舶工程、家電、軍工、航空航天、工程機械、軌道交通
等領域產品在實際使用過程中不僅會遇到簡單靜強度破壞問題而且還會遇到各種更復雜的情況，如振動、沖擊、疲勞等現象，控制不好往往會使零部件壽命縮短、機械系統產生巨大噪音
車輪主要由輪輞和輪輻組成。輪輞是支撐輪胎的基座，輪輻是作為車輪和車輪輪轂的連接件，主要起傳遞載荷（垂直力、側向力和切向力轉矩）的作用[1]。輪輞與輪輻焊接后與輪胎組成一個整體，共同承受汽車的重力、制動力、驅動力、汽車轉向時產生的側向力及所產生的力矩，還要承受路面不平產生的沖擊力。車輪工作條件嚴酷，其質量直接影響汽車行駛過程的安全性，因此，應有一定的強度、剛度和工作耐久性能。
摘要：對現行的齒輪彎曲疲勞設計方法進行了研究，發現現行的方法如果采用按GBIT3480～1983齒輪彎曲疲勞實
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的計算公式，對原有的方法進行了補充。
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