基于ABAQUS/FEMFAT的同步環(huán)組件疲勞壽命分析

秦玉林，祝林，湯天寶，羅大國，陳勇，王瑞平,2（.寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司，浙江 寧波 35336；2.浙江吉利羅佑發(fā)動機有限公司，浙江 寧波 35800）

基于ABAQUS/FEMFAT的同步環(huán)組件疲勞壽命分析

秦玉林1，祝林1，湯天寶1，羅大國1，陳勇1，王瑞平1,2
（1.寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉利羅佑發(fā)動機有限公司，浙江 寧波 315800）

摘 要：變速器同步環(huán)組件是鎖環(huán)式同步器系統(tǒng)的重要組成部分，鎖環(huán)式同步器系統(tǒng)的失效模式主要為同步環(huán)的斷裂，而引起同步環(huán)斷裂的主要原因是沖擊引起的疲勞破壞。針對此問題，采用ABAQUS顯式動態(tài)分析來模擬同步過程中同步環(huán)的沖擊情況，并采用FEMFAT軟件以強度分析結(jié)果為輸入，進行同步環(huán)疲勞壽命分析。通過此分析，在同步器設(shè)計初期進行疲勞耐久預(yù)測，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：變速器；同步環(huán)；沖擊；疲勞破壞

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.10.015

CLC NO.: U463.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)10-35-03

引言

ABAQUS是功能強大的有限元軟件，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，模擬非常龐大復(fù)雜的模型，處理高度非線性問題。ABAQUS/Explicit可以進行顯式動態(tài)分析，它適用于求解復(fù)雜非線性動力學(xué)問題和準靜態(tài)問題，特別是用于模擬短暫、瞬時的動態(tài)事件，如沖擊和爆炸問題[1]。本文亦采用顯式動態(tài)分析方法進行同步環(huán)組件沖擊強度分析。

FEMFAT（Finite Element Method and Fatigue）是一套基于有限元分析結(jié)果的能夠?qū)o態(tài)和動態(tài)載荷加載的零部件疲勞分析軟件。這種把有限元結(jié)果作為分析輸入的方法可以被分類為“B方法”，也就是說它們是基于試驗、理論研究、模型試驗和耐久經(jīng)驗的方法。本文亦采用此軟件，以強度分析結(jié)果為輸入進行同步環(huán)組件疲勞壽命分析。

目前廣泛采用的同步器是慣性式同步器，它有鎖環(huán)式和鎖銷式等形式。轎車變速器由于轉(zhuǎn)動慣量小，主要以鎖環(huán)式同步器為主[2]。鎖環(huán)式同步器其主要通過同步環(huán)錐面的摩擦來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的同步，使整個換擋過程平順完成。本文以某變速器雙錐同步環(huán)為例，分析同步過程中同步環(huán)組件的疲勞壽命情況，為前期結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo)，確保其滿足設(shè)計要求。

1、強度分析

1.1 分析模型

在進行CAE分析過程中，前處理花費的時間占整個分析的60%以上，因此想要提高工程師的工作效率則必須選擇有效便捷的前處理軟件[3]。前處理過程包括：幾何處理、網(wǎng)格劃分、約束載荷施加和輸出參數(shù)設(shè)置。本文中的分析采用Pro/e軟件進行幾何建模，將.asm格式的幾何模型導(dǎo)入ABAQUS軟件進行前處理。

為了獲得較準確的分析結(jié)果，同步環(huán)組件采用二階四面體（C3D10I）及一階六面體（C3D8I）混合建模，為了保證計算精度及計算效率，根據(jù)經(jīng)驗對應(yīng)力不集中的地方采用較為稀疏的網(wǎng)格進行劃分，對應(yīng)力集中位置采用較細密的網(wǎng)格進行劃分，對某些小倒角進行簡化處理，避免產(chǎn)生過小尺寸單元。圖1所示為同步環(huán)組件的網(wǎng)格模型，模型中包含外環(huán)、中環(huán)、內(nèi)環(huán)、碳層及結(jié)合齒6個零部件。

1.2 材料參數(shù)

在ABAQUS軟件中定義材料參數(shù)、建立結(jié)構(gòu)屬性和賦予結(jié)構(gòu)屬性，各零部件的材料參數(shù)如下表1所示。

表1　零部件材料表

1.3 載荷計算

同步環(huán)分析過程中，載荷計算如下：

a）內(nèi)、外環(huán)與中環(huán)摩擦力矩M1 = F·μα·R/tanα

F—作用于同步環(huán)外環(huán)的軸向力

R—錐面平均半徑

μα—摩擦錐面間的摩擦系數(shù)

α—錐面角

b）撥環(huán)力矩M 2= F·Rs·(1- μβ·tanβ)/( μβ+tanβ)

F—作用于同步環(huán)外環(huán)的軸向力

Rs—同步環(huán)外環(huán)花鍵分度圓半徑

μβ—鎖止面摩擦系數(shù)

β—鎖止角

c）內(nèi)環(huán)與齒輪摩擦力矩M 3 = F·μ·Ra

F—作用于同步環(huán)外環(huán)的軸向力

Ra—同步環(huán)內(nèi)環(huán)側(cè)面平均半徑

μ—接觸面摩擦系數(shù)

分析過程中，有兩個輸入力矩和兩個輸出力矩，其中內(nèi)環(huán)與齒輪摩擦力矩M3，結(jié)合齒內(nèi)側(cè)面扭矩M1—M3，外環(huán)齒側(cè)扭矩M2，外環(huán)凸臺扭矩M1—M2。

1.4 邊界條件與載荷施加

為了較為真實的模擬換擋過程中同步環(huán)受到的扭轉(zhuǎn)及沖擊情況，將整個分析過程分為兩步進行，第一步為在外環(huán)施加軸向推力來模擬撥叉的撥環(huán)力，第二步保持軸向推力的同時在結(jié)合齒、內(nèi)環(huán)、外環(huán)上分別施加扭矩，同步環(huán)組件的邊界條件及載荷的加載情況，如圖2、圖3所示。

1.5 分析結(jié)果

將建立的有限元模型，導(dǎo)入ABAQUS中進行強度計算，獲得同步環(huán)組件在換擋過程中的強度結(jié)果。圖4、圖5、圖6分別為外、中、內(nèi)環(huán)的應(yīng)力分布云圖，從圖中可以看出同步環(huán)組件的最大應(yīng)力出現(xiàn)在中環(huán)卡爪倒角及外環(huán)齒根處，由于中環(huán)厚度較小，因此此處易出現(xiàn)疲勞破壞，下面只對中環(huán)進行疲勞分析。

2、疲勞分析

2.1 材料S-N曲線

表示應(yīng)力幅或最大應(yīng)力與疲勞壽命之間關(guān)系的曲線稱為S-N曲線，S-N曲線在直角坐標系中是一條雙曲類型的曲線，其表達式為：NSm=C，其中m和C均為材料常數(shù)[4]。本文分析的S-N曲線是通過在FEMFAT軟件中輸入材料楊氏模量、泊松比、抗拉強度，屈服強度等參數(shù)而獲得。

2.2 分析參數(shù)

分析參數(shù)對同步器組件疲勞壽命的影響極大，同步環(huán)疲勞參數(shù)如表2所示，將疲勞參數(shù)輸入FEMFAT軟件中作為結(jié)構(gòu)的固有特性。

表2　疲勞參數(shù)表

2.3 分析結(jié)果

疲勞分析結(jié)果如圖7所示，從圖中可以看出，小疲勞循環(huán)次數(shù)主要集中在卡爪根部，最容易發(fā)生疲勞破壞處的疲勞壽命為322170次。

3、試驗對比及總結(jié)

經(jīng)過疲勞耐久臺架試驗后，同步器中環(huán)出現(xiàn)斷裂，其斷裂情況如圖8所示，斷裂位置與仿真結(jié)果基本吻合。

文章以某變速器同步環(huán)組件為研究對象，采用有限元軟件ABAQUS/Explicit進行顯式動態(tài)分析，重點模擬換擋過程中同步環(huán)的沖擊過程，將分析結(jié)果導(dǎo)入FEMFAT軟件進行疲勞壽命計算，獲得同步環(huán)組件最小疲勞壽命為322170次。通過此分析，可以在同步器設(shè)計初期進行疲勞耐久預(yù)測，減少設(shè)計時間，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

參考文獻

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[2] 蔡興旺,付曉光. 汽車構(gòu)造與原理[M].北京: 機械工業(yè)出版社, 2009.

[3] 于開平, 周傳月, 譚惠豐等. HyperMesh從入門到精通[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2005.

[4] 楊慶樂. 基于ANSYS/FE-SAFE的強夯機臂架疲勞壽命分析 [D].大連: 大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院, 2005.

Analysis of Fatigue Life for the Synchronizer Rings Based on ABAQUS/FEMFAT

Qin Yulin1, Zhu Lin1, Tang Tianbao1, Luo Daguo1, Chen Yong1, Wang Ruiping1,2
（1.Ningbo Geely Royal Engine Components Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315336; 2.Zhejiang Geely Royal Engine Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315800）

Abstract:The transmission synchronizer rings is an important part of the lock ring synchronizer system. And the main failure pattern of lock ring synchronizer system is synchronous ring’s rupture, which is mainly caused by the impact. ABAQUS explicit dynamic analysis is carried out to simulate the impact of synchronous ring during synchronization process regarding this problem. Then input the strength calculation result to FEMFAT software to simulate synchronizer rings fatigue life .Through this analysis, the fatigue property was predicted at the early stage of synchronizer design and the structure design is well guided.

Keywords:Transmission; Synchronizer Rings; Impact; Fatigue Damage

作者簡介：秦玉林，就職于寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司。

中圖分類號：U463.5

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2015)10-35-03