差速器齿轮疲劳寿命仿真分析方法研究
本文以卡车常用的差速器齿轮为研究对象，采用hyperwork软件+lsdyna软件进行应力分析，将结果导入fatigue软件中进行疲劳寿命仿真分析的方法,成功的对其进行了疲劳寿命仿真分析，得出了合理的结果，表明此种方法做差速器齿轮疲劳寿命仿真分析可行，为差速器齿轮的疲劳寿命仿真分析提供了一种可行的方法和途径。汽车差速器是汽车中很关键的一个零部件，它的主要作用是满足汽车转弯时两侧车轮转速不同的需求。差速器由差速器壳、行星齿轮、行星齿轮轴和半轴齿轮等机械零件组成。差速器齿轮工况复杂，受力环境差，很容易出现疲劳破损和损坏等现象。如果在设计中能够通过仿真分析预测其寿命，能够为设计提供依据，将会大大减少设计误差，减少研发试验成本，提高设计成功率，并且通过分析对结构进行优化设计，能够达到提高产品质量和寿命的目的。但是差速器齿轮涉及齿面接触等非线性仿真分析，且结构复杂，对其进行疲劳寿命分析难度较大，所以研究一种切实可行的差速器齿轮的疲劳寿命仿真方法意义很大。
1 本文研究差速器齿轮简介
本文所研究的差速器齿轮为卡车中常用的锁止式差速器，其实物图如图1-1所示，1为主减输入轴，2为差速器壳，3为行星齿轮，4为半轴齿轮。本文的研究对象为差速器齿轮，如图1-2所示，左边为行星齿轮，右边为半轴齿轮。
图1-1 差速器图
图1-2 差速器齿轮
2 差速器齿轮疲劳分析方法研究与结果
差速器齿轮由半轴齿轮和行星齿轮组成，由行星齿轮驱动半轴齿轮转动，涉及齿面之间的接触非线性分析。疲劳耐久性分析是在应力基础上的一种寿命预测，首先得进行结构应力分析，lsdyna具有强大的非线性分析能力，能够很好的进行接触设置，本文采用lsdyna软件对其进行结构应力分析。疲劳寿命仿真分析使用fatigue软件。
2.1 结构应力分析
本文使用hyperworks软件对其进行前后处理，使用lsdyna进行计算。本文选择在直线行驶下的工况作为研究对象，直线行驶工况下的载荷为行星齿轮输入36000NM的扭矩，半轴齿轮输出18000Nm的扭矩，材料采用20CrMnTi，其参数如表2-1所示。将载荷和材料参数输入，建立仿真模型，如图2-1所示。
表2-1 差速器齿轮材料性能参数
图2-1 差速器齿轮分析模型
通过lsdyna软件计算，hyperview软件进行结果后处理，得分析结果如表2-2所示，应力分布云图如图2-2所示, 从结果中看出行星齿轮、半轴齿轮的最大vonmises应力分别为724MPa、458MPa，均低于屈服极限850MPa。行星齿轮、半轴齿轮的最大拉应力分别为402MPa、402MPa，低于抗拉强度1080MPa。
表2-2 结构应力分析结果
a) 行星齿轮vonmises应力云纹图
b) 行星齿轮拉应力云纹图
c) 半轴齿轮vonmises应力云纹图
d) 半轴齿轮拉应力云纹图
图2-2 半轴齿轮应力云纹图
2.2 疲劳寿命预测分析
本文使用fatigue软件对其进行疲劳寿命预测，由于其为高周疲劳，故采用s-n分析方法，对其进行疲劳寿命分析。首先读取lsdyna计算结果文件，导入后进行疲劳分析参数设置，然后进行材料参数设置，其sn曲线如图2-3所示,进行载荷历程设置，其载荷历程使用简化的载荷历程曲线，如图2-4所示。
图2-3 20CrMnTi的SN曲线图
图2-4 疲劳分析载荷历程曲线
将以上参数输入，并进行加载，得疲劳寿命结果如表2-3所示，其寿命云图如图2-5和图2-6所示，从结果中看出，行星齿轮最低寿命为759万次，最大破损为1.92e-7,最小安全因子为1.07;半轴齿轮最低寿命为1016万次，最大破损为0，最小安全因子为1.37。
表2-3 疲劳耐久性分析结果
图2-5 行星齿轮寿命、破损度和安全因子云纹图
图2-6 半轴齿轮寿命、破损度和安全因子云纹图
3 结论
本文以卡车常用的差速器齿轮结构为研究对象，成功的对其进行了疲劳寿命预测分析，得出了合理的可靠的结果，表明使用hyperwork软件+lsdyna软件进行应力分析，将结果导入fatigue软件中进行疲劳寿命仿真分析的方法可行，为差速器齿轮的疲劳寿命仿真分析提供了一种可行的方法和途径。
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