基于ANSYS客車(chē)驅(qū)動(dòng)橋齒輪副的應(yīng)力分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.218 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639(2025)06-0114-03

Stress AnalysisofBusDrive AxleGear Pairs Basedon ANSYs

ShengPaipai，LiuYifan，WangSen

(Shangqiu Institute of Technology，School of Mechanical Engineering，Shangqiu 476Ooo，China）

【Abstract】Basedon the design requirements of thebus driveaxle，this article elaborates on the current technical statusanddevelopmenttrendof thedriveaxle，anduses the finite element analysis tolANSYSWorkbench to conduct mechanicalanalysisonthegear pairs inthedrive axle，mainlyanalyzingthe stressclouddiagrams of thehighandlow speed gear pairs underdiferent working conditions.The analysis results show thatthe maximum contactstress value of the high-speedgear pairis169.46MPaandthatof thelow-speed gearpairis 600.69MPa.Referring totherequirements ofthedriveaxledesigncode，itisless thantheyieldlimitofthematerial.Then，basedontherequirementsofthedrive axledesigncode，verifythat the designandmaterialsof the driveaxlearereasonable toensurethereliableuse of the drive axle.

【Key words】 ANSYS；drive axle；gear pair；stress analysis

0 引言

中型客車(chē)專(zhuān)為城市與鄉(xiāng)村之間的交通運(yùn)輸而設(shè)計(jì)。它擁有寬敞舒適的內(nèi)部空間，可容納眾多乘客，同時(shí)保證了乘坐的舒適度。車(chē)輛配備了先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和懸掛裝置，為乘客提供平穩(wěn)、安全的行車(chē)體驗(yàn)。客車(chē)還注重節(jié)能環(huán)保，采用高效低耗的動(dòng)力系統(tǒng)和環(huán)保材料，為創(chuàng)造綠色出行貢獻(xiàn)力量。驅(qū)動(dòng)橋是汽車(chē)中最重要的系統(tǒng)之一，用于動(dòng)力傳輸和分配。近年來(lái)，許多汽車(chē)制造商和供應(yīng)商都做出了巨大努力來(lái)提高車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)的性能。

1 ANSYS在齒輪應(yīng)力分析中的應(yīng)用

在現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)中，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和分析齒輪副在不同工況下的應(yīng)力分布對(duì)于確保驅(qū)動(dòng)橋的可靠性和耐久性至關(guān)重要2。ANSYS軟件作為一款強(qiáng)大的有限元分析工具，已被廣泛應(yīng)用于齒輪應(yīng)力分析領(lǐng)域。通過(guò)ANSYS，工程師能夠構(gòu)建精確的三維模型，模擬齒輪副在實(shí)際工作中的受力情況，從而識(shí)別潛在的應(yīng)力集中區(qū)域。例如，在對(duì)客車(chē)驅(qū)動(dòng)橋低速齒輪副進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，ANSYS能夠提供詳細(xì)的應(yīng)力分布圖，揭示齒輪在承受扭矩和傳遞動(dòng)力時(shí)的應(yīng)力變化趨勢(shì)。在一項(xiàng)針對(duì)特定客車(chē)驅(qū)動(dòng)橋低速齒輪副的研究中，通過(guò)ANSYS模擬發(fā)現(xiàn)，在齒輪嚙合區(qū)域存在顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這與實(shí)際故障案例中齒輪斷裂的位置高度吻合。這不僅驗(yàn)證了ANSYS模型的準(zhǔn)確性，也強(qiáng)調(diào)了在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行應(yīng)力分析的重要性。

2 驅(qū)動(dòng)橋齒輪副設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

2.1齒輪副的結(jié)構(gòu)與工作原理

現(xiàn)代客車(chē)驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)主要為低速齒輪副，其結(jié)構(gòu)及工作原理直接影響著整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力效率和運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性。一對(duì)齒輪作為齒輪副主要由主齒輪與從動(dòng)齒輪構(gòu)成，通過(guò)齒面間的嚙合傳力3。基于ANSYS的力學(xué)應(yīng)力分析研究則需要了解其低速齒輪副結(jié)構(gòu)，包括低速齒輪副的齒數(shù)、齒形、壓力角和模數(shù)等參數(shù)，從而決定齒輪副的承載能力及傳動(dòng)比。常見(jiàn)的客車(chē)驅(qū)動(dòng)橋低速齒輪副也多為漸開(kāi)線(xiàn)齒形，以利于低速驅(qū)動(dòng)橋在行駛中的不同速度狀況下都能擁有良好的嚙合特性。

齒輪副嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)是齒輪副基于齒輪嚙合原理實(shí)施的，客車(chē)驅(qū)動(dòng)橋上低速齒輪副由于傳遞較大扭矩及工作條件復(fù)雜，需要充分考慮其齒輪的強(qiáng)度、剛度及耐磨損。ANSYS能夠模擬齒輪副在工作情況下的應(yīng)力分布，并經(jīng)過(guò)有限元計(jì)算可預(yù)測(cè)齒輪副在不同工況的應(yīng)力集中情況，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)。通過(guò)ANSYS計(jì)算可以看出，在齒輪嚙合過(guò)程中齒輪的齒根部分是應(yīng)力集中情況最多，也最易造成應(yīng)力集中的部位，在材料和熱處理上需要嚴(yán)格把關(guān)。

進(jìn)行齒輪副的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)原理分析時(shí)還必須結(jié)合齒輪副在客車(chē)驅(qū)動(dòng)橋的工作條件?？蛙?chē)驅(qū)動(dòng)橋用的低速齒輪副往往工作在低速大扭矩的環(huán)境，這對(duì)齒輪副的強(qiáng)度以及耐久性的要求非常高，必須承受長(zhǎng)期的磨損與沖擊。利用ANSYS軟件進(jìn)行仿真分析預(yù)測(cè)齒輪副的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以對(duì)齒輪副結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 齒輪材料的選擇與性能要求

ANSYS客車(chē)驅(qū)動(dòng)橋低速齒輪副應(yīng)力分析的研究，齒輪材料選配性能匹配就是設(shè)計(jì)成功的保證。齒輪材料需對(duì)工況所產(chǎn)生的高應(yīng)力和高磨損具有足夠的強(qiáng)度、硬度、韌性、耐磨性。例如常用的齒輪材料為20CrMnTi，該材料具有很好的綜合機(jī)械性能，在表面硬化后硬度能夠達(dá)到HRC58-62，這為齒輪副具有良好的承載能力和耐磨性提供了較好的保證。AN-SYS模型材料屬性的確切配置，對(duì)齒輪在實(shí)際工作時(shí)的應(yīng)力和形變起到了很好的模擬作用。材料的滲碳和淬火等工藝對(duì)齒輪的加工性能也存在較大影響，可以顯著提高齒輪的表面硬度和芯部韌性，延長(zhǎng)其使用壽命。在進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，需要考慮材料的屈服強(qiáng)度的抗拉強(qiáng)度，確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3 驅(qū)動(dòng)橋低速齒輪副的設(shè)計(jì)參數(shù)

在客車(chē)驅(qū)動(dòng)橋低速齒輪副的設(shè)計(jì)中，精確的參數(shù)設(shè)定是確保齒輪副性能和耐久性的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)參數(shù)包括齒輪的模數(shù)、齒數(shù)、壓力角、螺旋角以及齒寬等，模數(shù)的選擇直接影響齒輪的尺寸和承載能力，而齒數(shù)的確定則關(guān)系到齒輪的傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)速[4-5]。通常會(huì)根據(jù)客車(chē)的載重、速度要求以及驅(qū)動(dòng)橋的空間限制來(lái)綜合考慮這些參數(shù)。以某型號(hào)客車(chē)為例，其驅(qū)動(dòng)橋低速齒輪副設(shè)計(jì)時(shí)采用了標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) 4mm 、齒數(shù)20、壓力角 20^° 、螺旋角 30^° 、齒寬 40mm 的參數(shù)?？蛙?chē)的設(shè)計(jì)參數(shù)可以滿(mǎn)足在不同路況下的動(dòng)力傳遞需求，也可以保證齒輪副在長(zhǎng)期運(yùn)行中的穩(wěn)定性和可靠性。ANSYS軟件通過(guò)建立精確的三維模型和進(jìn)行有限元分析，預(yù)測(cè)齒輪副在各種工況下的應(yīng)力分布和變形情況，為齒輪副設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化提供參考依據(jù)。

3有限元分析

3.1二級(jí)減速器網(wǎng)格劃分

電動(dòng)汽車(chē)主減速器與傳統(tǒng)燃油汽車(chē)主減速器相比，由于其齒根的應(yīng)力分布特點(diǎn)，所以相比傳統(tǒng)變速齒輪對(duì)材料的彎曲強(qiáng)度與疲勞壽命要求更高。有限元模型建立時(shí)，齒輪采用拓?fù)湓O(shè)計(jì)理念的異網(wǎng)格細(xì)分方法，嚙合齒面以及齒根圓角采用 0.5mm 網(wǎng)格，輻板部分采用 2mm 網(wǎng)格。

經(jīng)有限元計(jì)算后，得到節(jié)點(diǎn)數(shù)825633個(gè)、三維實(shí)體單元數(shù)402361的網(wǎng)格模型。在圖1中，二級(jí)減速器的網(wǎng)格模型應(yīng)力梯度變化明顯之處（例如齒接觸區(qū)域、安裝軸承座位）實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)格大小的指數(shù)收斂，并通過(guò)計(jì)算雅可比矩陣進(jìn)行質(zhì)量系數(shù)的校核，滿(mǎn)足了0.7以上的單元數(shù)量占比達(dá) 90% 以上，達(dá)到ISO26382標(biāo)準(zhǔn)中網(wǎng)格收斂性對(duì)于動(dòng)態(tài)載荷敏感區(qū)域的要求，真正做到了在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上兼顧了效率，從而實(shí)現(xiàn)了在工程中的應(yīng)用。

3.2 各構(gòu)件有限元分析

3.2.1 減速器高速齒輪副有限元分析

高速齒輪副采用的 40MnB 合金鋼材料，其材料屬性：密度 ρ=7850kg/m³ ；泊松比 ν=0.3 ；彈性模量 E ；屈服強(qiáng)度 σ_s=785MPa 。建模時(shí)假定的齒面接觸應(yīng)力載荷譜的轉(zhuǎn)速為：主動(dòng)齒輪輸入轉(zhuǎn)速 ω= 173.75rad/s （ Z 向正方向）；從動(dòng)齒輪受控轉(zhuǎn)速 ω= -59.913rad/s （ Z 向負(fù)方向）；施加載荷阻力矩 T= 319N?m 。模擬傳動(dòng)實(shí)況下的齒面接觸應(yīng)力載荷，多體動(dòng)力學(xué)耦合模擬，齒面接觸應(yīng)力場(chǎng)分布如圖2所示，齒面接觸應(yīng)力最大集中在嚙合線(xiàn)上及危險(xiǎn)截面的齒根部位。

由圖2可知，在額定工況載荷譜作用下，高速齒輪副呈現(xiàn)典型的赫茲接觸應(yīng)力分布特性，其瞬態(tài)峰值接觸應(yīng)力達(dá) 169.46MPa ，集中分布于主從動(dòng)齒輪嚙合線(xiàn)區(qū)域及齒根過(guò)渡圓角處。結(jié)合該齒輪副材料40MnB 的力學(xué)性能參數(shù)（屈服強(qiáng)度 σ_s=785MPa ）分析，最大接觸應(yīng)力值僅占材料屈服極限的 21.6% ，充分驗(yàn)證了高速齒輪抗接觸疲勞安全系數(shù)達(dá)到4.63，完全滿(mǎn)足ISO6336標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于閉式傳動(dòng)齒輪的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3.2.2二級(jí)減速器低速齒輪副有限元分析

低速齒輪副取 20CrMnTi 滲碳齒輪鋼，其參數(shù)： ρ =7800kg/m³ ； ν=0.25 . E=207GPa ； σ_s=835MPa_? 。其中負(fù)載選取主動(dòng)齒輪輸入轉(zhuǎn)速 ω=-59.913rad/s （反向傳動(dòng)同步），從動(dòng)齒輪控制轉(zhuǎn)速 ω=14.613rad/s ，并施加T=-1 ， 131.9N?m 的阻力矩形成閉環(huán)扭矩平衡條件。繼任高速模型約束條件（軸向止擋、徑向滑動(dòng)副）進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)接觸計(jì)算后，得到低速齒輪副應(yīng)力場(chǎng)分布云圖見(jiàn)圖3，其應(yīng)力集中區(qū)域與理論赫茲接觸模式結(jié)果一致。

如圖3所示，瞬態(tài)接觸應(yīng)力峰值為 600.69MPa 該值不僅在齒面接觸區(qū)產(chǎn)生，載荷傳遞還在齒根位置產(chǎn)生顯著的次生應(yīng)力區(qū)。該齒輪材料為 20CrMnTi 0 σ_s=835MPa ）滲碳合金鋼，低速級(jí)接觸應(yīng)力安全系數(shù)為1.39，齒根彎曲應(yīng)力安全系數(shù)為2.8，從DIN3990規(guī)范所允許的應(yīng)力曲線(xiàn)可以判斷該齒輪副的最大應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)均處在彈性變形范疇內(nèi)。該齒輪副的拓?fù)錁?gòu)型設(shè)計(jì)和材料選型方案滿(mǎn)足數(shù)值仿真校核，其齒根彎曲安全系數(shù)和接觸安全系數(shù)均達(dá)到了AG-MA2001-D04對(duì)高負(fù)荷齒輪的規(guī)定。

4總結(jié)

根據(jù)ANSYS計(jì)算，高速齒輪副最大接觸應(yīng)力[ 169.46MPa 與低速齒輪副最大接觸應(yīng)力 (600.69MPa) 0都低于材料屈服強(qiáng)度（ 785MPa 和 835MPa ），表明齒輪副能夠滿(mǎn)足強(qiáng)度需要。 20CrMnTi 及 40MnB 結(jié)合滲碳淬火工藝有效地提高了齒輪的耐磨與承載能力，滿(mǎn)足了低速大扭矩工況的要求。將網(wǎng)格加以劃分可以提高網(wǎng)格集中應(yīng)力處的計(jì)算精度，模型共有82.5萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，40.2萬(wàn)個(gè)單元，得出的結(jié)果較為可靠。本研究對(duì)客車(chē)驅(qū)動(dòng)橋的輕量化、節(jié)能減排設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值，有利于提高客車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)道路崎嶇復(fù)雜路面的適應(yīng)性和抗耐力。

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(編輯楊凱麟)

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