1 引言
變速箱的二軸作為汽車動力系統的重要組成部件，其主要作用是傳遞發動機的動力，驅動四輪，其性能的好壞直接影響整車的動力性和安全性及NVH問題。二軸連接著變速箱一軸和傳動軸，在汽車行駛過程中，將來自發動機的一切力和力矩，傳遞給傳動軸。因此變速箱二軸的強度和質量必須滿足一定的要求。
本文針對本公司某變速箱二軸花鍵處斷裂問題，通過對二軸花鍵的齒面接觸強度、齒根彎曲強度、齒根剪切強度和扭轉與彎曲強度的計算，分析二軸花鍵的強度設計問題。同時結合有限元技術，對二軸花鍵的應力和應變分析，驗證理論計算，結合花鍵斷裂故障圖分析斷裂原因。
2 基本參數與二軸花鍵校核
2.1基本參數
該車的變速箱二軸為輸出軸。造成二軸花鍵處斷裂原因很多，本文主要針對二軸花鍵的強度的設計問題進行故障分析。參照花鍵承載能力計算國家標準，利用變速箱二軸的花鍵的基礎數據表1，對花鍵強度進行校核計算。該變速箱二軸采用的是20CRMoH材料。
表1 變速箱二軸花鍵的基礎數據
2.2花鍵校核
根據二軸花鍵斷面失效形式，發現斷裂位置為花鍵齒根處。利用花鍵強度校核標準，對某變速箱二軸的花鍵進行強度校核。主要對花鍵齒面接觸強度、齒根彎曲強度、齒根剪切強度和扭轉與彎曲強度進行校核。
a)花鍵齒面接觸強度計算：
公式一 花鍵齒面接觸強度計算
W-單位載荷；hw-工作齒高；由花鍵的基礎數據，計算出W和hw，代入式(1)花鍵齒面接觸強度（δH）為45Mpa。
b)齒根彎曲強度計算：
公式二 齒根彎曲強度計算
將h-全齒高，W一單位載荷，αD-壓力角，SFn-危險截面的弦齒厚的計算數值，代入式(2)，齒根彎曲強度（δF）為82Mpa。
c)齒根剪切強度計算：
公式三 齒根剪切強度計算
將τtn-剪切應力，αtn-應力集中系數計算結果代入式(3)，齒根剪切強度（τFmax）為1264Mpa。
d)扭轉與彎曲強度計算：
公式四 扭轉與彎曲強度計算
將δFn-彎曲應力和τtn-剪切應力計算結果代入式(4)，扭轉與彎曲強度（δv）為739Mpa。
表2 花鍵強度校核結果
綜合二軸的花鍵強度的許用值和花鍵強度計算對比結果表2，發現齒根剪切強度和扭轉與彎曲強度不滿足強度要求。
3 有限元模型
3.1有限元模型
采用hyper mesh對變速箱二軸建立有限元模型，模型采用四面體的網格劃分；因為傳動軸屬于階梯軸，階梯槽容易出現應力集中，所以對階梯槽處的網格進行細劃分；變速箱的二軸的斷裂位置在花鍵處，說明花鍵處的受力大，此部分也是重點考慮的對象，所以需對花鍵處網格進行細化；圖1是某變速箱二軸有限模型，該模型共劃分了323123個單元，411768個節點。
圖1 某變速箱二軸有限元模型
3.2載荷與邊界條件
二軸出現斷裂故障，主要因為軸承受強度過大。轎車處一檔時，變速箱二軸傳動的力和力矩是最大，所以一檔力的傳遞扭距為加載大小，以一擋加載情況為邊界，進行加載分析。根據二軸的工作性質可知，二軸主要承受的是轉矩作用。在施加載荷時，可以約束二軸的一端，然后在其另一端施加轉矩。根據實際工況，約束了二軸輸出端的所有自由度，然后在二軸的輸入端的一檔位置，施加3236Nm的中心扭距，圖2。
圖2 加載及約束邊界
3.3材料特性
表3 材料特性表
4 有限元分析結果
將前處理好的模型，導入Abaqus計算。然后對結果后處理，獲得變速箱二軸的應力分布和應變的分布等數值結果。變速箱二軸的Von Misses應力分布如圖3所示。圖3的Mises應力和圖4的應變分布是合理正確的；從圖3發現，最大Mises應力值為7016.144MPa，遠大于變速箱二軸的抗拉強度。最大應力出現在二軸的花鍵齒根處，二軸正是在花鍵齒根處斷裂。圖4是二軸的應變分布圖。由圖可見二軸的最大應變為0.026，位于二軸齒根處。應力和應變最大的位置位于變速箱二軸的花鍵齒根部，如圖中mark標記位置。綜合應力和應變的分析結果，發現花鍵齒根的應力遠大于材料的抗拉強度，即會在花鍵處發生斷裂。
圖3 某變速箱二軸應力分布
圖4 某變速箱二軸應變分布
圖5和圖5分別是有限元分析結果和二軸斷裂圖。從圖5發現，二軸的花鍵發生了扭曲變形；在承受一個大扭轉時，花鍵的齒根的應力值大于材料的抗拉強度。圖6可以看到，二軸花鍵發生比較大的扭曲，而且斷裂的裂縫很大。綜合圖5和圖6，可以發現花鍵是在大的扭距作用下產生裂紋進而斷裂失效。有限元分析正確的重現了，某變速箱二軸斷裂，CAE分析結果和故障是一致。
圖5 數值模擬斷裂位置
圖6 故障斷裂位置
圖6與圖7是二軸花鍵處斷口圖。從圖7有限元分析斷口處，可以發現齒根的應力值相對周圍要很大。由有限元分析，說明花鍵的斷裂是從齒根開始斷裂的。圖8是二軸花鍵的斷口。由二軸的斷口圖發現，花鍵齒根處斷面顏色很深，即說明二軸斷裂是從齒根開始斷裂的。綜合有限元分析結果和二軸的斷面，說明數值模擬重現了故障。同時驗證了二軸花鍵的斷裂原因，是二軸強度不足的設計問題。
圖7 數值模擬斷口
圖8 故障斷口
5 結論
(1)利用有限元方法重現了二軸花鍵斷裂故障，并二軸花鍵的斷裂形式和斷口面與故障有很好的吻合。
(2)利用有限元方法和理論計算核實了二軸花鍵的強度；通過有限元和理論計算發現，二軸花鍵的齒根強度不滿足材料的強度要求。所以在后續的改善方案，主要針對提高二軸花鍵的強度。
(3)本有限元分析對于變速箱的二軸的花鍵的改善提供了指導性意義。
核心關注：拓步ERP系統平臺是覆蓋了眾多的業務領域、行業應用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業務管理理念，功能涉及供應鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業務領域的管理，全面涵蓋了企業關注ERP管理系統的核心領域，是眾多中小企業信息化建設首選的ERP管理軟件信賴品牌。
轉載請注明出處：拓步ERP資訊網http://www.guhuozai8.cn/
本文標題：某變速箱二軸花鍵斷裂故障有限元分析
本文網址：http://www.guhuozai8.cn/html/solutions/14019317200.html
相關文章
