基于程序载荷谱的变速器疲劳寿命分析与试验研究

摘要

随着国家“十三五计划”的开启，国民经济的发展步入了快车道，同时汽车产业也得到了充足的发展。汽车变速器作为汽车总成中最重要的一部分，其安全性、可靠性、耐久性是各个汽车生产厂商、科研院所、高校科研团队的主要研究热点。由于变速器工作环境的恶劣性，近几年对变速器的疲劳寿命分析逐渐兴起。
　　某公司因产品技术升级，将原材料为铸铁壳体的后驱手动5MT变速器改型为全铝壳体，使得自身的寿命和结构性能发生了很大的改变，因此在实车测试的过程中出现了振动噪声大、壳体裂纹等异常现象。鉴于此情况，应对变速器疲劳寿命进行分析和评估，为后期优化设计提供依据和建议。
　　本文以该公司的后驱手动5MT变速器作为研究对象，对其进行疲劳寿命分析和评估。在详细阅读相关的国内外文献和著作的基础上，确定疲劳分析的研究思路，采用适用于高周疲劳的名义应力法为理论基础，依据实测载荷谱完成对于被试变速器的疲劳仿真与试验工作。
　　(1)利用Pro/E软件建立变速器的三维模型和有限元模型，同时分别对齿轮组、传动轴、壳体及变速器总成作了自由模态分析，并且与模态试验进行对比验证，结果证明误差不超过10％，模型正确，可以作为后期分析的基础;
　　(2)对变速器载荷谱进行实车采集，生成随机载荷谱，利用雨流计数法完成对载荷谱数据的处理工作，获取试验使用的变速器程序载荷谱块;
　　(3)基于对齿轮和传动轴的受力分析和理论计算，将受力值作为加载载荷，对传动轴和壳体进行静力学分析，找出了各处的应力集中部位的最大应力值和最大应变值，分析结果应力值均小于材料的屈服极限，应变值也属于轴承的位移区域，因此若该处失效应当是由疲劳损伤所致;
　　(4)依据变速器静力学结论对变速器各零部件及总成进行疲劳分析和寿命估计，得到了输入轴、中间轴、输出轴、壳体及变速器总成的疲劳寿命云图、安全系数图及疲劳寿命敏感曲线图，找出了最易出现疲劳失效的部位并进行了变速器样机疲劳耐久验证试验，试验验证与模拟计算结果一致，结果准确，研究方法可行。文章结论对该公司变速器改型开发设计起到了一定的技术支持和理论指导作用。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 疲劳分析研究历史与现状

1．2．2 载荷谱的研究现状

1．2．3 变速器疲劳寿命分析的研究现状

1．3 本课题研究的目的和内容

1．4 本章小结

2 结构疲劳寿命分析理论基础解释

2．1 理论定义及分类

2．1．1 疲劳定义与分类

2．1．2 疲劳寿命定义与分类

2．2 影响结构疲劳寿命的主要因素

2．2．1 构件缺口的影响

2．2．2 构件表面处理情况的影响

2．2．3 外界载荷水平的影响

2．3 研究方法对比分析

2．3．1 名义应力法

2．3．2 局部应力应变法

2．3．3 应力场强法

2．3．4 多轴疲劳分析法

2．3．5 断裂力学分析法

2．4 材料S-N曲线与零件S-N曲线

2．4．1 材料S-N曲线

2．4．2 零部件S-N曲线

2．5 疲劳积累损伤理论

2．5．1 损伤定义

2．5．2 线性疲劳积累损伤理论

2．5．3 非线性疲劳积累损伤理论

2．6 本章小结

3 变速器整体受力分析与程序谱处理

3．1 变速器受力分析

3．1．1 变速器结构及设计参数

3．1．2 变速器零部件受力分析

3．2 变速器疲劳载荷谱

3．2．1 载荷谱定义与分类

3．2．2 循环应力基本参数

3．2．3 雨流计数法

3．2．4 变速器程序载荷谱处理

3．3 本章小结

4 变速器模型建立与验证

4．1．1 变速器三维模型的建立

4．1．2 变速器有限元模型的建立

4．2 变速器模型验证

4．2．1 变速器模态数学模型

4．2．2 变速器模态分析及结论

4．2．3 变速器模态试验及结论

4．2．4 对比分析验证

4．3 本章小结

5 变速器疲劳寿命分析

5．1 变速器传动轴疲劳寿命分析

5．1．1 齿轮各向受力计算

5．1．2 传动轴静力学分析

5．1．3 传动轴疲劳寿命分析

5．2 变速器箱体疲劳寿命分析

5．2．1 箱体静力学分析

5．2．2 箱体疲劳寿命分析

5．3 变速器总成疲劳寿命分析

5．3．1 变速器总成静力学分析

5．3．2 变速器总成疲劳寿命分析

5．4 本章小结

6 变速器台架试验研究

6．1 试验台架布置与设备说明

6．2 确定试验方案

6．3 试验结论

6．4 本章小结

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢