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1、河南科技学院新科学院207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：207年5月0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
2、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SN曲线的得出.最后在专业疲劳分析软件MSC.Ftigue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ABTACWit th devlopmet of automoie indstr an trnpotation， te eedof automoierplacementi acleratn。o sc
3、rap cars， onth oad, it s a heavy burdn of ciety and envirnment, on he ther han， it s esoure ith geatnomic value Spcars canot nl carryut aeial recycinaats remnfacturing, nd some pars cn een be reusedirctly。 However， there is stil lcof evlation criera for ranfacturn f erice parts, in whc spare l fpart
4、s is n of t main critera to asre patsreanufcturing。Th aerstrsrom th bsic atue ipreicin metd andprocess, intesthecalulain metho of furkinds ffatgelie s currently ued,ie.the nmal stresmhod,local tressrain， stes fiedad crack opaatio lemthod An makaoarai aalysofthe,fnaly lc he rsearh mthd wichis suitabl
5、 for tper， th nominlstes mehod。 Then this paper ocses onthe predictionf tg li geareceleatin pocess, nding e stablisent o threedmnsonl moel f ear rucer, fine eleen moe, the etrionad the load sctrum of geasha mtrialN curve。Finally,h atig lif of t gear shaf s calulaedit rofessin fatigeanalyis sofwae MS
6、C.agueFnaly, umricalexmpe is giventoveri he accurc a fesbily of the prposdmhdKewors：gear sft； fatgelife; 3D mel目 录 TO o”1 zu1引言62相关理论62.1疲劳的基本概念62影响疲劳寿命的因素72。2.1尺寸效应的影响72.2.表面加工状况的影响82。2。载荷特性的影响822.5装配与连接效应的影响93汽车齿轮轴概念9减速器齿轮的应力分析及疲劳寿命预测103。疲劳寿命预测方法及流程03.2基于有限元分析的疲劳寿命分析方法11.减速器齿轮有限元分析13331有限元软件的选用3.3
7、。2减速器齿轮三维模型的建立153.3.减速器齿轮有限元模型的建立153。减速器齿轮应力计算结果与分析163。减速器齿轮材料的疲劳特性173。4。1材料 SN 曲线的定义173.4.2减速器齿轮材料 S-N 曲线的建立18。5载荷谱的处理2351减速器载荷谱的获取233。2减速器齿轮动力学仿真分析2435。3减速器齿轮动力学仿真结果分析636减速器齿轮的疲劳寿命计算2。7验证算例28.7.构件疲劳寿命仿真过程分析29.7。构件疲劳寿命理论计算及与仿真对比分析314总结31参考文献33致谢351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50万辆，每一年
8、,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、50万辆、10万辆之多。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
9、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.1 疲劳的基本概念国际标准化组织（SO)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
10、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
11、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。06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
12、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；（）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。222表面加工状况的影响可将应力集
13、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。24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
14、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.22。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，
