汽车变速器疲劳寿命预测的研究

2017-07-10 13:40 点击：64

在变速器实际工作中，轴承在非稳定工况下工作。汽车变速器轴承所受载荷主要受以下因素影响：
①发动机输出转矩；
②不同的档位受力状况不一样，
并且每个档位的使用情况也不同。汽车行驶的实际工况比较复杂，换档频繁，发动机输出转矩不断变化，因此变速器轴承受力的大小、方向是不断变化的，很难确定其实际载荷，在行变速器轴承寿命计算时，大都采用经验公式求出各个档位的当量载荷，然后进行寿命计算。
在对货车变速器可靠性设计时，根据各档位的工作时间和各档的转速提出了一种关于变速器轴承当量载荷的计算方法，为轴承寿命计算提供了参考。在损伤积累假说的基础上，根据各档位使用情况，确定轴承的当量动载荷，以此作为其寿命校核的依据，计算了变速器轴承的疲劳寿命。以变速器轴承为研究对象，针对变速器轴承进行了力学分析，并在此基础上推导了变速器各轴承的受力公式，并开发了轴承计算与选型软件。
针对汽车变速器轴承的应用工况及特点，分类介绍了汽车变速器轴承的寿命计算方法，并详细介绍了轴承轴向力的计算方法。利用二参数威布尔分布建立了轴承各元件的寿命可靠性模型，提高了汽车轮毂轴承寿命预测精度。提出了一种在任意使用载荷下航空航天轴承接触疲劳寿命的分析方法，利用轴承线接触应力公式和等寿命转化公式对载荷输入数据进行转化，然后利用高周疲劳的常用经验公式，经修正得到任意使用载荷下的轴承接触
疲劳寿命。
利用有限元法计算轴承寿命是一种重要的方法，但是由于变速器档位较多，而且不同的档位轴承所受载荷不同，对变速器轴承的有限元计算比较复杂，目前利用有限元法对变速器轴承的研究较少。为了进一步研究变速器轴承寿命计算，可以参考其他机器轴承寿命的计算方法，应用Monte-Carlo法对实验进行了模拟，并编写计算程序，建立了滚动轴承疲劳寿命的预测系统，实现使用计算机对滚动轴承的寿命进行计算、数值模拟和预测。对轮毂轴承的疲劳寿命进行了仿真计算，但轴承外载荷的加载方式比较单一，随后也仅做了轴向加载这一种加载方式的疲劳试验。对风力发电机组主轴轴承做了故障分析和疲劳寿命仿真方法的研究，利用有限元软件和Fe-Safe疲劳软件对主轴轴承进行了寿命估算。
1.变速器其他零部件寿命的计算
变速器其他零部件如齿轮轴、箱体、紧固件和油封等相比于齿轮和轴承，其寿命较长，在变速器失效零件中所占比例较少，对这些零部件寿命计算的研究较少。
对疲劳寿命分析预测所需要的路面载荷进行分析讨论，利用计算机在变速器设计阶段就对其在实际中所行驶的道路进行预测路面载荷状况，然后利用MSC.ADAMS进行仿真。通过实测载荷—时间历程，利用nCode-ICEflow软件将从特定的实际道路上采集到的载荷信号进行处理，然后进行疲劳损伤的计算。以某型汽车变速器*齿轮轴为研究对象，结合变速器的工
作状况系统的分析了该齿轮轴及其轮齿的失效形式，研究了变速器*齿轮轴疲劳寿命预测方法，并利用MSC.Fatigue软件计算该齿轮轴的疲劳寿命。利用UG结构分析模块和ANSYS通用疲劳分析模块相结合的方法，对汽车变速器*轴进行了疲劳分析。建立了某轻型货车变速器箱体有限元模型，过实车强化坏路试验采集了整车轮心垂直方向振动加速度信号，利用MSC.ADAMS进行动力学仿真计算，获得了箱体与车架连接点的载荷时间信号。将各载荷通道的应力分布和载荷时间历程输入MSC.Fatigue，得到了箱体的疲劳寿命结果。以某轿车手动变速器壳体为研究对象，考虑轴承、齿轮轴刚度的影响，应用有限元方法计算壳体在所有档位下的应力分布，并进行了分析评价。然后结合轿车实际使用工况下的变速器工作载荷谱，应用多轴疲劳理论预测整个壳体的损伤分布，获得了壳体寿命。
综上所述：目前对变速器疲劳寿命的研究主要是对关键部件齿轮和轴承的研究，主要是结合程序载荷谱，利用有限元软件进行计算，并且随着有限元技术的发展，利用多种软件的协同仿真来计算变速器各部件寿命是未来研究的趋势。
2.变速器概率疲劳寿命预测
在常规寿命计算中是将与剩余寿命有关的参数，例如零件尺寸、载荷、材料特性等当作确定性的量来处理。然而工程实际中这些参数往往不是确定值，而且预测得到的寿命是很分散的，是具有一定分布特征的随机量。因此，要对构件的安全使用作出更符合实际的评价，就迫切需要引入概率统计理论，以使构件的疲劳寿命预测有一个可靠的定量概念。如果已知各参数的分布规律，并采用概率方法考虑参数的随机性，就可以得到具有一定可靠度的剩余寿命。
汽车变速器通常采用批量生产，每个变速器零件的尺寸、形状和安装条件都有一定的差异。使得一批零件即使在同一恒福循环载荷的作用下产生的应力仍然有一定的差异。如轴直径的差异而产生不同的轴应力；齿形的误差使齿根产生不同的应力；不同的偏心量使齿轮抽产生不同的离心力等。这种应力的离散性可以通过统计得到一分布，称这种分布为应力的横向分布。而所有使疲劳应力产生横向分布的因素称为横向影响因素。对于某一确定的变速器零件来说，可以认为零件的尺寸、形状、安装条件等都是确定的。当这个零件受复杂的载荷—时间历程时，其危险点的应力是一个随机变量。通过对这个应力进行统计分析得到一个应力分布。称这种应力分布为疲劳应力的横向分布，使疲劳应力产生纵向分布的因素称为纵向影响因素。
影响变速器疲劳应力的横向因素和纵向因素是同时存在的，由于横向影响因素的分布的确定比较困难，而且同时考虑横向和纵向因素时计算困难，在变速器疲劳寿命预测时很多研究者只考虑了纵向影响因素，忽略了横向因素的影响。目前对变速器的概率疲劳寿命研究较少，但有很多针对齿轮系统的概率疲劳寿命的研究，可以给变速器的研究提供参考。
为提高汽车变速器系统的可靠性，在设计过程中考虑了动力传动链的zui薄弱的轴和齿轮的环节，其主要受到弯曲疲劳和表面磨损的影响，此外还考虑了一些变量，包括传输功率、齿面宽度、花键长度以及材料特性等并且研究其参数变化对整体变速器系统可靠性的影响。提出以修正的材料P-S-N曲线为基础，采用传统的名义应力法和Miner法则估算双圆弧齿轮的疲劳寿命。对某火炮传动系统齿轮副寿命预测时，建立了P-Sa-Sm-N曲面方程，求得随机载荷作用下的齿轮副的概率疲劳寿命。从齿轮接触疲劳强度出发，提出了一种改进的齿轮强度计算方法。将常规的设计方法与可靠性设计方法相结合，计算齿轮在使用寿命期间的可靠度。这种方法对于变速器齿轮研究具有十分重要的意义。赵富强首先利用Abaqus计算各档齿轮的应力，根据存活率为99%时，考虑几何尺寸、温度环境以及非对称循环因素的影响设定并修正材料S-N曲线，利用FE-safe软件运用修正的疲劳寿命损伤__理论对变速器各档齿轮进行疲劳寿命预测，并与变速器疲劳试验结果进行了对比，为等寿命周期设计提供数据支持。
由于变速器是汽车的关键部件，而且变速器所受载荷比较复杂，基于概率统计的疲劳寿命计算方法可以用于预测变速器破坏的概率和可靠寿命，为变速器的研发和维修提供更全面的数据，因此，基于概率统计的变速器整体疲劳寿命计算是未来研究的方向。