應(yīng)用于再制造的變速箱齒輪疲勞壽命預(yù)測(cè)

馬 峻

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100070）

應(yīng)用于再制造的變速箱齒輪疲勞壽命預(yù)測(cè)

馬 峻

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100070）

文章就汽車(chē)核心部件變速箱進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真、有限元分析，并在此基礎(chǔ)上參照國(guó)家報(bào)廢汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了齒輪剩余壽命的預(yù)測(cè)。得出結(jié)論：報(bào)廢汽車(chē)變速箱三擋齒輪仍能滿(mǎn)足下一生命周期的工作要求，具備再制造的基礎(chǔ)。

報(bào)廢；變速箱齒輪；再制造；壽命預(yù)測(cè)

Abstract:In this paper, dynamic simulation and finite element analysis are carried out on the transmission, the automobile core parts, and on this basis, referring to the national scrap car standards, the remaining life prediction of gear was carried out.Conclusion, the three gear of the scrapped automobile gearbox can still meet the requirements of the next life cycle, having the basis for Remanufacturing.

Keywords: Scrap; Transmission gear; Remanufacturing; Life prediction

CLC NO.: TH132.41 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-230-03

當(dāng)前隨著汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車(chē)保有量不斷提升，由汽車(chē)所帶來(lái)的污染和能源問(wèn)題日益被人們重視。隨著人們生活水平的不斷提高，汽車(chē)更新?lián)Q代頻率加快，汽車(chē)的報(bào)廢量逐年增加。報(bào)廢汽車(chē)若得不到及時(shí)的處置，不光造成資源的巨大浪費(fèi)，還會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生極大的污染和破壞；若處置得當(dāng)，在變廢為寶的同時(shí)還能保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

1 再制造的概念

再制造（Remanufacturing）是重用（Reuse）的一種形式，是以廢舊退役的零部件為“原料”，采用各種再制造成形技術(shù)，批量地恢復(fù)零部件尺寸、形位、表面質(zhì)量和性能要求，經(jīng)過(guò)裝配形成新產(chǎn)品再使用[1]。再制造是一個(gè)以產(chǎn)品全壽命周期設(shè)計(jì)和管理為指導(dǎo)，以?xún)?yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保為目標(biāo)，以先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化為手段，來(lái)修復(fù)或改造廢舊產(chǎn)品的一系列技術(shù)措施或工程活動(dòng)的總稱(chēng)[2]。再制造與維修都是以避免重新購(gòu)買(mǎi)為前提，將不能正常工作的零件進(jìn)行處理，使其恢復(fù)正常的使用性能。但維修僅對(duì)使用年限內(nèi)且具有繼續(xù)使用價(jià)值的零件進(jìn)行修復(fù)，以恢復(fù)其性能，日常的維修以替換零件為主。再制造則是一種具有專(zhuān)業(yè)性、互換性、規(guī)模化的恢復(fù)產(chǎn)品性能的方式。它以大批量的待用廢舊零部件為生產(chǎn)對(duì)象，運(yùn)用現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)方式使產(chǎn)品的性能上一個(gè)層次，同時(shí)再制造產(chǎn)品附有質(zhì)量保修承諾，具備新產(chǎn)品同樣的售后服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，維修、再制造與產(chǎn)品性能的關(guān)系如圖1所示[3]。

2 變速箱齒輪疲勞壽命預(yù)測(cè)

為解決發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩變化范圍小和汽車(chē)使用工況復(fù)雜的矛盾，在汽車(chē)傳動(dòng)系內(nèi)加入了變速箱，通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)的不同組合達(dá)到改變速度和轉(zhuǎn)矩的目的。因此變速箱的齒輪情況直接決定了汽車(chē)整體的使用壽命。據(jù)研究，變速箱所有零件中齒輪失效比重最大，達(dá)到 60%[4]，因此對(duì)變速箱齒輪的疲勞失效預(yù)測(cè)對(duì)變速箱的使用及再制造具有重要意義。

圖1 維修、再制造與產(chǎn)品性能的關(guān)系

手動(dòng)變速器中三檔使用頻率最高，其嚙合齒輪組承受更加頻繁的交變載荷，對(duì)其進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)具有代表性。結(jié)合傳統(tǒng)疲勞壽命分析理論，采用聯(lián)合仿真的方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，具體的思路如圖2所示。

圖2 疲勞壽命預(yù)測(cè)流程

2.1 齒輪組的動(dòng)力學(xué)仿真

設(shè)定汽車(chē)在三檔時(shí)車(chē)速50Km/h，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2600r/min，輸出功率50kw，定義P0為輸出功率；n0為轉(zhuǎn)速；η為離合器傳動(dòng)效率，取0.99；η1為軸承和三檔齒輪的傳動(dòng)效率，取0.96；三檔主動(dòng)齒輪齒數(shù)Z1=29；從動(dòng)齒輪齒數(shù)Z2=40；傳動(dòng)比i12=1.38；取模數(shù)m=2。

根據(jù)以上計(jì)算的基本參數(shù)，在Pro/E中建立齒輪嚙合模型。將嚙合模型導(dǎo)入Adams，建立虛擬樣機(jī)。設(shè)置仿真時(shí)間0.5s，仿真步數(shù)100步。

該組齒輪嚙合的力分為圓周力 Ft；徑向力 Fr；軸向力Fa，其理論計(jì)算值與虛擬仿真值對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 齒輪嚙合力理論值與仿真值對(duì)照表

從表中可以看出，理論值與仿真值誤差在±10%以?xún)?nèi)，誤差較小。將結(jié)果數(shù)據(jù)傳給疲勞分析軟件Fatigue。

2.2 齒輪組的有限元分析

由于齒輪在工作時(shí)只有少部分齒參與嚙合，為簡(jiǎn)化齒輪的有限元分析計(jì)算量，將齒輪模型簡(jiǎn)化為僅有3-4個(gè)齒，如圖2所示。為獲得更好的計(jì)算效果，采用二次六面體單元進(jìn)行劃分，網(wǎng)格類(lèi)型為20節(jié)點(diǎn)SOLID95單元，共劃分為23358個(gè)單元，41758個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。定義求解時(shí)間為1s，子步數(shù)設(shè)定為50步進(jìn)行求解。

根據(jù)工況要求，主動(dòng)齒輪材料為 40Cr，其彈性模量E=211GPa；泊松比μ=0.28；密度；從動(dòng)齒輪材料為45鋼；其彈性模量E=209GPa；泊松比=0.27；密度。

圖3 齒輪組簡(jiǎn)化模型

圖4 齒輪組網(wǎng)格劃分

強(qiáng)度公式計(jì)算結(jié)果與ansys應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)比

從表中可以看出，理論值與仿真值誤差在±15%以?xún)?nèi)，將結(jié)果數(shù)據(jù)傳給疲勞仿真軟件Fatigue。

2.3 材料的疲勞特性曲線(xiàn)

調(diào)用軟件Fatigue材料特性曲線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，40Cr和45鋼材料特性曲線(xiàn)。

2.4 變速箱剩余壽命預(yù)測(cè)

變速箱齒輪當(dāng)量服役壽命計(jì)算公式為：

式中N0為當(dāng)量服役壽命；N為齒輪平均轉(zhuǎn)速；S為汽車(chē)報(bào)廢規(guī)定公里數(shù)；V汽車(chē)平均行駛速度。

目前國(guó)家取消了私家車(chē) 15 年使用年限的規(guī)定，采用公里數(shù)來(lái)計(jì)算，將總公里數(shù)定在 60 萬(wàn)公里左右。因此變速箱按照國(guó)家規(guī)定按 60 萬(wàn)公里報(bào)廢，定義全壽命中平均轉(zhuǎn)速2600r/min；平均車(chē)速45km/h。

通過(guò)Fatigue計(jì)算，在不考慮齒面損傷的情況下，齒輪受循環(huán)載荷作用，齒根處最易發(fā)生疲勞斷裂。按照有限元分析的網(wǎng)格劃分模型，節(jié)點(diǎn)10012處為主動(dòng)輪最危險(xiǎn)部位，壽命7.65×1010次；節(jié)點(diǎn) 22176處為從動(dòng)輪最危險(xiǎn)部位，壽命5.96×1010次。

由軟件Fatigue得到齒輪預(yù)測(cè)的疲勞壽命減去當(dāng)量服役壽命得到剩余疲勞壽命，若剩余疲勞壽命大于當(dāng)量服役壽命，則理論上滿(mǎn)足下一服役周期的使用，能夠進(jìn)行再制造的加工，其表達(dá)式為：則滿(mǎn)足下一周期的使用。

3 結(jié)論

為緩解汽車(chē)工業(yè)飛速發(fā)展對(duì)環(huán)境帶來(lái)的壓力，再制造近年來(lái)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)。但作為汽車(chē)大國(guó)的我們，再制造行業(yè)發(fā)展緩慢。本文通過(guò)理論計(jì)算與軟件仿真探索了報(bào)廢汽車(chē)變速箱再制造的可能性。通過(guò)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)報(bào)廢變速箱的齒輪其剩余使用壽命仍可滿(mǎn)足下一生命周期的使用要求，其具備再制造的理論基礎(chǔ)。

[1] 徐濱士,馬世寧.21 世紀(jì)的再制造工程[J].中國(guó)機(jī)械工程,2000（11）36-38.

[2] 陳迅,簡(jiǎn)怡,王臻.再制造及對(duì)我國(guó)汽車(chē)再制造的思考[J].工業(yè)工程與管理,2004（2）：59-61.

[3] 張少亭,變速箱齒輪剩余疲勞壽命預(yù)測(cè)及再制造可行性研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2009:4

[4] 尹安東,汽車(chē)變速箱齒輪故障模糊聚類(lèi)診斷技術(shù)的應(yīng)用研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2002:7.

Fatigue Life Prediction of Transmission Gear Used in Remanufacturing

Ma Jun
( Beijing Polytechnic, Beijing 100070）

TH132.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)18-230-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.080

馬峻，就職于北京電子科技職業(yè)學(xué)院。