汽車變速器疲勞壽命預測的研究

2017-07-10 13:40 點擊：64

在變速器實際工作中，軸承在非穩定工況下工作。汽車變速器軸承所受載荷主要受以下因素影響：
①發動機輸出轉矩；
②不同的檔位受力狀況不一樣，
并且每個檔位的使用情況也不同。汽車行駛的實際工況比較復雜，換檔頻繁，發動機輸出轉矩不斷變化，因此變速器軸承受力的大小、方向是不斷變化的，很難確定其實際載荷，在行變速器軸承壽命計算時，大都采用經驗公式求出各個檔位的當量載荷，然后進行壽命計算。
在對貨車變速器可靠性設計時，根據各檔位的工作時間和各檔的轉速提出了一種關于變速器軸承當量載荷的計算方法，為軸承壽命計算提供了參考。在損傷積累假說的基礎上，根據各檔位使用情況，確定軸承的當量動載荷，以此作為其壽命校核的依據，計算了變速器軸承的疲勞壽命。以變速器軸承為研究對象，針對變速器軸承進行了力學分析，并在此基礎上推導了變速器各軸承的受力公式，并開發了軸承計算與選型軟件。
針對汽車變速器軸承的應用工況及特點，分類介紹了汽車變速器軸承的壽命計算方法，并詳細介紹了軸承軸向力的計算方法。利用二參數威布爾分布建立了軸承各元件的壽命可靠性模型，提高了汽車輪轂軸承壽命預測精度。提出了一種在任意使用載荷下航空航天軸承接觸疲勞壽命的分析方法，利用軸承線接觸應力公式和等壽命轉化公式對載荷輸入數據進行轉化，然后利用高周疲勞的常用經驗公式，經修正得到任意使用載荷下的軸承接觸
疲勞壽命。
利用有限元法計算軸承壽命是一種重要的方法，但是由于變速器檔位較多，而且不同的檔位軸承所受載荷不同，對變速器軸承的有限元計算比較復雜，目前利用有限元法對變速器軸承的研究較少。為了進一步研究變速器軸承壽命計算，可以參考其他機器軸承壽命的計算方法，應用Monte-Carlo法對實驗進行了模擬，并編寫計算程序，建立了滾動軸承疲勞壽命的預測系統，實現使用計算機對滾動軸承的壽命進行計算、數值模擬和預測。對輪轂軸承的疲勞壽命進行了仿真計算，但軸承外載荷的加載方式比較單一，隨后也僅做了軸向加載這一種加載方式的疲勞試驗。對風力發電機組主軸軸承做了故障分析和疲勞壽命仿真方法的研究，利用有限元軟件和Fe-Safe疲勞軟件對主軸軸承進行了壽命估算。
1.變速器其他零部件壽命的計算
變速器其他零部件如齒輪軸、箱體、緊固件和油封等相比于齒輪和軸承，其壽命較長，在變速器失效零件中所占比例較少，對這些零部件壽命計算的研究較少。
對疲勞壽命分析預測所需要的路面載荷進行分析討論，利用計算機在變速器設計階段就對其在實際中所行駛的道路進行預測路面載荷狀況，然后利用MSC.ADAMS進行仿真。通過實測載荷—時間歷程，利用nCode-ICEflow軟件將從特定的實際道路上采集到的載荷信號進行處理，然后進行疲勞損傷的計算。以某型汽車變速器*齒輪軸為研究對象，結合變速器的工
作狀況系統的分析了該齒輪軸及其輪齒的失效形式，研究了變速器*齒輪軸疲勞壽命預測方法，并利用MSC.Fatigue軟件計算該齒輪軸的疲勞壽命。利用UG結構分析模塊和ANSYS通用疲勞分析模塊相結合的方法，對汽車變速器*軸進行了疲勞分析。建立了某輕型貨車變速器箱體有限元模型，過實車強化壞路試驗采集了整車輪心垂直方向振動加速度信號，利用MSC.ADAMS進行動力學仿真計算，獲得了箱體與車架連接點的載荷時間信號。將各載荷通道的應力分布和載荷時間歷程輸入MSC.Fatigue，得到了箱體的疲勞壽命結果。以某轎車手動變速器殼體為研究對象，考慮軸承、齒輪軸剛度的影響，應用有限元方法計算殼體在所有檔位下的應力分布，并進行了分析評價。然后結合轎車實際使用工況下的變速器工作載荷譜，應用多軸疲勞理論預測整個殼體的損傷分布，獲得了殼體壽命。
綜上所述：目前對變速器疲勞壽命的研究主要是對關鍵部件齒輪和軸承的研究，主要是結合程序載荷譜，利用有限元軟件進行計算，并且隨著有限元技術的發展，利用多種軟件的協同仿真來計算變速器各部件壽命是未來研究的趨勢。
2.變速器概率疲勞壽命預測
在常規壽命計算中是將與剩余壽命有關的參數，例如零件尺寸、載荷、材料特性等當作確定性的量來處理。然而工程實際中這些參數往往不是確定值，而且預測得到的壽命是很分散的，是具有一定分布特征的隨機量。因此，要對構件的安全使用作出更符合實際的評價，就迫切需要引入概率統計理論，以使構件的疲勞壽命預測有一個可靠的定量概念。如果已知各參數的分布規律，并采用概率方法考慮參數的隨機性，就可以得到具有一定可靠度的剩余壽命。
汽車變速器通常采用批量生產，每個變速器零件的尺寸、形狀和安裝條件都有一定的差異。使得一批零件即使在同一恒福循環載荷的作用下產生的應力仍然有一定的差異。如軸直徑的差異而產生不同的軸應力；齒形的誤差使齒根產生不同的應力；不同的偏心量使齒輪抽產生不同的離心力等。這種應力的離散性可以通過統計得到一分布，稱這種分布為應力的橫向分布。而所有使疲勞應力產生橫向分布的因素稱為橫向影響因素。對于某一確定的變速器零件來說，可以認為零件的尺寸、形狀、安裝條件等都是確定的。當這個零件受復雜的載荷—時間歷程時，其危險點的應力是一個隨機變量。通過對這個應力進行統計分析得到一個應力分布。稱這種應力分布為疲勞應力的橫向分布，使疲勞應力產生縱向分布的因素稱為縱向影響因素。
影響變速器疲勞應力的橫向因素和縱向因素是同時存在的，由于橫向影響因素的分布的確定比較困難，而且同時考慮橫向和縱向因素時計算困難，在變速器疲勞壽命預測時很多研究者只考慮了縱向影響因素，忽略了橫向因素的影響。目前對變速器的概率疲勞壽命研究較少，但有很多針對齒輪系統的概率疲勞壽命的研究，可以給變速器的研究提供參考。
為提高汽車變速器系統的可靠性，在設計過程中考慮了動力傳動鏈的zui薄弱的軸和齒輪的環節，其主要受到彎曲疲勞和表面磨損的影響，此外還考慮了一些變量，包括傳輸功率、齒面寬度、花鍵長度以及材料特性等并且研究其參數變化對整體變速器系統可靠性的影響。提出以修正的材料P-S-N曲線為基礎，采用傳統的名義應力法和Miner法則估算雙圓弧齒輪的疲勞壽命。對某火炮傳動系統齒輪副壽命預測時，建立了P-Sa-Sm-N曲面方程，求得隨機載荷作用下的齒輪副的概率疲勞壽命。從齒輪接觸疲勞強度出發，提出了一種改進的齒輪強度計算方法。將常規的設計方法與可靠性設計方法相結合，計算齒輪在使用壽命期間的可靠度。這種方法對于變速器齒輪研究具有十分重要的意義。趙富強首先利用Abaqus計算各檔齒輪的應力，根據存活率為99%時，考慮幾何尺寸、溫度環境以及非對稱循環因素的影響設定并修正材料S-N曲線，利用FE-safe軟件運用修正的疲勞壽命損傷__理論對變速器各檔齒輪進行疲勞壽命預測，并與變速器疲勞試驗結果進行了對比，為等壽命周期設計提供數據支持。
由于變速器是汽車的關鍵部件，而且變速器所受載荷比較復雜，基于概率統計的疲勞壽命計算方法可以用于預測變速器破壞的概率和可靠壽命，為變速器的研發和維修提供更全面的數據，因此，基于概率統計的變速器整體疲勞壽命計算是未來研究的方向。