重型汽车变速器齿轮的计算仿真分析

摘要

变速器是汽车传动系统的重要组成部分，主要用来协调发动机转速和车辆实际行驶速度。齿轮作为汽车变速器的重要机械零件，承载着汽车传动时的扭矩，工作环境恶劣且易损坏。另外，随着汽车行业的不断发展，人们对汽车零部件的要求越来越高，因此，变速器齿轮自身的振动特性分析和优化设计显得尤为重要。
　　 变速器齿轮常见的损坏形式有:接触疲劳引起的齿面点蚀和弯曲疲劳引起的轮齿折断。通过分析齿轮的齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度，可以判断其是否发生损坏。本文以某重型汽车变速器齿轮传动系统为例，首先，根据变速器的工作原理和结构特点，对变速器在一档和高速档工作时齿轮啮合和离合器工作情况进行详细说明，并依据GB/T3480，对变速器齿轮进行弯曲疲劳强度和接触疲劳强度校核，为变速器传动件的有限元分析和优化做好铺垫;其次，在Solidworks中建立变速器齿轮传动系统三维模型，包括轴、轴承、齿轮等零部件建模。基于有限元法，分别对一档齿轮和高速档齿轮进行强度分析，并与理论计算结果对比。
　　 以Solidworks建立的齿轮副啮合三维模型以及齿轮副接触的相关知识为基础，运用ANSYS/LS-DYNA对高速档齿轮副三维模型进行动态模拟计算，从计算结果中提取啮合齿轮副各处任意时刻的位移、加速度、应力以及应变等参量，为齿轮优化设计和疲劳强度分析提供理论依据。
　　 在动态模拟的基础上，对高速档单个齿轮和齿轮副进行模态分析，得到斜齿轮的固有频率和振型。根据单个齿轮的频率和振型，得到该齿轮很难产生共振的结论，并且齿轮主要在圆周方向振动，轴向和径向振动较小;根据齿轮副模态分析得到的固有频率与齿轮啮合频率相对比，并判断其对汽车行驶状况的影响。
　　 以齿轮静态弯曲有限元分析为基础，运用FE-SAFE软件对一档和高速档各齿轮进行弯曲疲劳寿命分析。在FE-SAFE软件中，考虑材料的S-N曲线和载荷谱的施加，采用名义应力法对齿轮进行疲劳寿命分析，并判断其是否满足疲劳寿命要求。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．2．1 汽车变速器齿轮强度的研究现状

1．2．2 汽车变速器齿轮系统动力学研究的发展

1．2．3 变速器齿轮疲劳寿命分析的发展

1．3 课题研究的主要内容

第二章 汽车变速器齿轮强度计算

2．1 变速器的工作原理

2．2 发动机各项参数

2．3 变速器齿轮传动系统的分析

2．3．1 变速器齿轮的力学分析

2．3．2 变速器齿轮的强度计算

2．3．3 各个齿轮的的强度分析

2．4 本章小结

第三章 基于ANSYS对变速器齿轮静力学强度分析

3．1 有限元基本理论

3．2 变速器齿轮静态弯曲疲劳强度有限元计算

3．2．1 前处理

3．2．2 有限元求解及后处理

3．3 变速器齿轮静态接触应力有限元计算

3．3．1 接触问题概述

3．3．2 变速器斜齿轮静态接触应力有限元计算

3．4 本章小结

第四章 变速器齿轮啮合的动态模拟研究

4．1 齿轮动力学的发展

4．2 ANSYS／LS-DYNA的前处理

4．3 变速器齿轮动态啮合传动系统三维接触有限元计算

4．3．1 变速器齿轮啮合传动系统三维接触模型有限元模型的建立

4．3．2 齿轮啮合的动态模拟和结果分析

4．4 齿轮固有特性分析

4．4．1 变速器齿轮系统的振动

4．4．2 模态分析理论以及前处理

4．4．3 变速器高速档单个齿轮模态分析求解

4．4．4 高速档齿轮副传动模态分析

4．5 本章小结

第五章 变速器齿轮弯曲疲劳寿命有限元分析

5．1 疲劳理论

5．1．1 疲劳累积损伤理论

5．1．2 疲劳分析方法

5．1．3 疲劳载荷的获取与处理

5．1．4 材料的疲劳特性

5．2 FE-SAFE软件介绍

5．3 齿轮疲劳寿命仿真计算

5．3．1 设置材料性能参数

5．3．2 齿轮的疲劳载荷谱

5．3．3 齿轮弯曲疲劳强度分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文