驅(qū)動橋半軸嚙合齒數(shù)和長度對半軸強(qiáng)度的影響

覃汝慶，朱江新，覃頻頻

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530004）

驅(qū)動橋半軸嚙合齒數(shù)和長度對半軸強(qiáng)度的影響

覃汝慶，朱江新，覃頻頻

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530004）

為了研究驅(qū)動橋半軸花健嚙合齒數(shù)和嚙合長度對半軸強(qiáng)度的影響，以某裝載機(jī)傳動半軸為研究對象，選取不同的嚙合齒數(shù)和嚙合長度參數(shù)，使用A N S Y S軟件分析了花健最大等效應(yīng)力與嚙合齒數(shù)和嚙合長度參數(shù)間的相互關(guān)系，研究了嚙合齒數(shù)與嚙合長度對半軸強(qiáng)度的影響。

嚙合齒數(shù)；嚙合長度；等效應(yīng)力；半軸強(qiáng)度

裝載機(jī)半軸局部簡化結(jié)構(gòu)如圖1所示。其所受的載荷來自于半軸齒輪，即通過半軸上的外花鍵與半軸齒輪的內(nèi)花鍵相嚙合來傳遞扭矩[1]，為了研究花健嚙合齒數(shù)和長度對半軸工作過程中花健齒應(yīng)力應(yīng)變場分布結(jié)果的影響，本文對不同參數(shù)值對半軸花健進(jìn)行有限元靜力分析，探索不同參數(shù)對花健齒的影響，對半軸強(qiáng)度分析具有重要意義。

圖1 驅(qū)動橋半軸結(jié)構(gòu)示意圖

1 驅(qū)動橋半軸模型的建立

本文所研究的對象為某裝載機(jī)半軸，材料為20CrMnTi，彈性模量EX為2.12×1011Pa，泊松比0.293，抗拉強(qiáng)度1 080 MPa，屈服強(qiáng)度835 MPa，半軸的全長1 190 mm，軸體直徑53mm，左端花鍵部分的長度是82 mm，右端花鍵部分的長度是70 mm.花健的主要參數(shù)值如下表1所示。

表1 某裝載機(jī)驅(qū)動橋半軸花健主要參數(shù)

本文首先在UG軟件中半軸三維幾何模型進(jìn)行參數(shù)化精確建模，然后導(dǎo)入到Ansys中進(jìn)行有限元分析，為了提高計(jì)算效率，在不影響計(jì)算結(jié)果的情況下，對模型進(jìn)行簡化。簡化過程中，文獻(xiàn)[2]認(rèn)為當(dāng)離齒根的深度達(dá)到1.5 m、寬度達(dá)到6 m時（m為齒輪的模數(shù)），齒輪體變形基本不受影響，可以近似看作該處的實(shí)際位移為零，選取半軸花健進(jìn)行分析。簡化后的半軸模型如圖2所示。

圖2 簡化的半軸三維模型

2 驅(qū)動橋半軸破壞形式及受力分析

2.1 驅(qū)動橋半軸破壞形式

裝載機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜，其半軸等零部件受到不同變應(yīng)力的作用，零部件在外載荷的作用下，應(yīng)力集中在不連續(xù)的拐角處，首先產(chǎn)生裂紋生成疲勞問題。由斷口微觀分析半軸的失效形式，花健齒出現(xiàn)了明顯的變形，在承受大的應(yīng)力時，齒根部分產(chǎn)生的與表面平行的裂紋[3]。磨損會使零件的幾何形狀和尺寸發(fā)生緩慢而連續(xù)的破壞，使得零件喪失了原有的工作性能。驅(qū)動橋半軸受破壞形式如圖3所示。

圖3 驅(qū)動橋半軸破壞形式

2.2 驅(qū)動橋半軸受力分析

本文研究的裝載機(jī)半軸為全浮式，將主傳動系通過差速器傳來的轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動傳給輪邊減速器，裝載機(jī)半軸花鍵一端插在半軸齒輪花鍵孔中，另一端插在太陽輪的花鍵孔中，形成了花鍵副嚙合，由于半軸傳輸?shù)呐ぞ啬芰Υ?，花鍵受力也大。

半軸的長期使用過程會產(chǎn)生不同程度的損傷和破壞。由有限元分析可以看出越往花健齒根靠近的應(yīng)力值越大，花健退刀槽端部的應(yīng)力值最大，被視為其薄弱部位[4]。

半軸花健所受力公式：

式中，N為嚙合齒數(shù)；R為花健分度圓半徑；n為花健嚙合線上節(jié)點(diǎn)數(shù)。

本文研究的半軸花健齒數(shù)一共有28個，半軸傳遞扭矩是半軸花健與半軸齒輪互相嚙合，

右端花健長度70mm.由于半軸傳輸?shù)呐ぞ啬芰Υ?，花鍵受力也大。然而齒與齒之間的齒側(cè)間隙不同，當(dāng)軸扭轉(zhuǎn)時齒對之間的間隙逐漸變小，但是并不是所有的齒之間的間隙都同時減小到零，齒側(cè)間隙最小的一對首先相互嚙合并開始輸送轉(zhuǎn)矩負(fù)載，直到第二對嚙合，以此類推，直到施滿載荷。也就是花鍵副嚙合時，齒側(cè)間隙小的花鍵齒先嚙合，齒側(cè)間隙大的次之，而實(shí)際嚙合的對數(shù)比花鍵齒數(shù)要小[5]。所以半軸在工作的過程中齒數(shù)的嚙合數(shù)會發(fā)生變化，嚙合的長度也會發(fā)生變化。在齒數(shù)上選擇28、27、26、25、24，嚙合長度選擇70 mm、65 mm、60mm、55 mm、50 mm、45 mm、40 mm、30 mm，一共建立了40個有限元模型。

3 驅(qū)動橋半軸三維靜態(tài)有限元分析

為了提高齒輪嚙合的計(jì)算精度，選擇solid186單元類型，網(wǎng)格精度為6，半軸采用六面體網(wǎng)格劃分。單齒嚙合區(qū)的嚙合線是產(chǎn)生齒根彎曲應(yīng)力最大的嚙合位置，為了分析齒跟應(yīng)力分布，半軸承受扭矩時，花健嚙合在承受區(qū)域范圍內(nèi)的一條線上[6]，花健所受力如圖4所示。施加載荷約束時根據(jù)齒輪傳動特性，在全局柱坐標(biāo)系下加載力，故在齒面A的嚙合線在柱坐標(biāo)下施加線均布載荷，在B面施加全約束，如圖5所示。

圖4 單齒嚙合區(qū)域

圖5 半軸花健有限元模型

4 結(jié)果分析

當(dāng)花健嚙合長度是70 mm，分別取嚙合齒數(shù)為28、27個時，花健齒通過有限元計(jì)算分析后，花健齒最大等效應(yīng)力分別為331 MPa、344 MPa，最大等效應(yīng)力值位于花健齒端處。根據(jù)不同嚙合的齒數(shù)和長度建立不同的有限元模型。

圖6中可以看出花健齒最大等效應(yīng)力值在不同嚙合齒數(shù)和長度的變化情況，從圖中數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：

圖7 不同嚙合齒數(shù)與長度齒最大等效應(yīng)力變化情況

（1）與花健齒全部嚙合齒數(shù)和嚙合長度參數(shù)變化時，花健齒最大等效應(yīng)力的變化范圍為331~750 MPa，可以看出花健齒有明顯的應(yīng)力集中作用；

（2）同樣的嚙合齒數(shù)，隨著嚙合長度值的逐漸減小花健齒最大等效應(yīng)力隨之增大，當(dāng)嚙合長度值小于35 mm時，也就是嚙合長度為右花健的1/2時，應(yīng)力值變化曲線突變；

（3）同樣的嚙合長度值，隨著嚙合齒數(shù)的減小，半軸花健的花健齒最大等效應(yīng)力隨之增大。

（4）從圖6可以看出，當(dāng)嚙合齒數(shù)為24個時，半軸花健齒最大等效應(yīng)力值會產(chǎn)生突變，嚙合長度在55 mm時，花健齒最大等效應(yīng)力值會超過所允許應(yīng)力值。

5 結(jié)束語

本文使用有限元分析軟件ANSYS對不同半軸花健嚙合齒數(shù)及長度進(jìn)行了靜態(tài)模擬分析。通過對設(shè)定了花健齒數(shù)、長度兩個不同參數(shù)的40個模型進(jìn)行三維有限元分析，得到了不同齒數(shù)與長度時齒面及齒根等效應(yīng)力結(jié)果，通過圖表形式對得到的分析結(jié)果進(jìn)行對比研究，得出不同嚙合齒數(shù)與長度時等效應(yīng)力的相互關(guān)系，對給出半軸花健強(qiáng)度判據(jù)具有重大的理論指導(dǎo)作用。

[1]楊占敏，王智明，張春秋.輪式裝載機(jī)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2]莊競，袁衛(wèi)華.TY320型終傳動齒輪有限元分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].工程機(jī)械，2006，（37）：31-34.

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[4]王繼新，胡季，侯曉婷.利用載荷譜的輪式裝載機(jī)半軸有限元分析[J].現(xiàn)代制造工程，2010，（5）：1-3.

[5]ROBINSR R.Tooth engagement evaluation oI involute spline couplings[D].[S.1.]：EngineeringBrigham YoungUniversity，2008.

[6]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：高等教育出版社，2006.

The Number of Teeth and the Length Engagement of Drive Axle Shaft Affect the Axle Strength

QIN Ru-qing，ZHU Jiang-xin，QIN Ping-ping
（School of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

In order to study the number of teeth and the length engagement of driving axle shaft spline affect the axle strength. Taking a loader drive axle for the study，select a different number of teeth and the length engagement parameter. Using ANSYS software to analyze the relationship between the spline maximum equivalent stress and the number of teeth and the length engagement parameter. Researched the effect of the number of teeth and the length of the axle engaging strength.

number of engaging teeth；length of engaging strength；equivalent stress；axle shaft strength

T K243

A

1672-545X（2016）09-0026-03

2016-06-09

覃汝慶（1990-），女，廣西合山人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電液一體化。