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基于Abaqus2DExplicit的齿轮齿板机构强度分析和优化

李欣

(东风汽车公司技术中心,湖北武汉430058)

摘要:本文针对发动机中某失效的齿轮齿板机构进进行了二维显式动力学仿真，证明了该齿轮机

构在运动过程中存在偏转，并直观再现了其撞击过程。结合有限元强度算法对其进行了疲劳强度

校核，确认其齿根处疲劳强度不满足设计要求。之后对该机构进行了设计优化，使得其疲劳强度

性能满足设计要求，并通过了发动机台架试验验证。

关键词:齿轮齿板机构；二维显式计算；优化

背景

某动力总成系统中的齿轮齿板机构在试验中，啮合齿多次出现断裂。失效模式基本相同，均

为疲劳断裂，如图1所示。经排查发现，在设计阶段齿轮载荷来自于运动学模型而非动力学模

型，，导致该齿轮齿板机构进行结构强度校核时，其应力水平被低估。因此对该机构进行动力学

计算，并对其进行优化，使其满足疲劳强度要求。

图1固定齿板失效照片

常规的动力学计算一般采用一维或者三维动力学建模进行计算。但是一维动力学在模型中无

法计算撞击影响。采用三维建模进行动力学计算虽然可以计算撞击，但计算时间长，资源需求大，

且收敛困难。因此本文使用有限元软件进行二维显式动力学计算，能够在确保精度的前提下兼顾

仿真效率。

本文主要介绍某齿轮齿板机构的二维显式动力学计算方法。结合该方法和有限元强度算法对

其进行了疲劳强度校核，并进行了设计优化，使得该齿轮齿板机构疲劳强度性能满足设计要求。

齿轮齿板机构介绍

齿轮齿板机构主要由三部分组成，1-同步齿轮、2-运动齿板和3-固定齿板。其中固定齿板通

过螺栓固定。运动齿板为主动件，沿z向运动，同时受到y向的侧向压力。同步齿轮为从动件，

则在两个齿板中啮合，受运动齿板驱动沿z向运动，其轴向无约束。由于同步齿轮轴线不固定，

因此运动齿板需要通过侧向力来固定同步齿轮。因此在齿轮齿板机构上，除了啮合的齿外，还设

计了承压面，用来承受y向的压紧力。为避免齿轮轴向的过约束，运动齿板仅设计一排啮合齿，

如图2所示。

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图2齿轮齿板机构示意图

由于齿轮齿板在啮合过程中的力是作用力与反作用力，因此其大小相同。另外，齿轮的材料

性能由于齿板材料性能约40%，认为失效源头为齿板，因此主要针对齿板进行疲劳校核。

反推齿轮齿板机构的许用载荷

3.1零件许用应力

由于齿轮齿板机构受到交变载荷，且试验失效形式为疲劳失效，因此失效主要考虑疲劳失效。

齿啮合时最大主应力发生在齿根处，啮合结束后根部受力为0，因此疲劳校核的交变载荷考

虑为啮合时最大应力和0。其许用的应力即为其脉冲疲劳极限，该材料脉冲疲劳极限为1342MPA。

考虑1.4的安全系数，零件的许用应力为959MPa。

3.2有限元计算载荷与应力关系

图3齿板齿尖加载的有限元模型和应力分布云图

通过计算可以得到齿板载荷和应力的对应关系。仅考虑最危险工况，不考虑齿轮齿板啮合的

位置状态，在齿尖处垂直加载。齿板在常温工作，且要求在材料弹性段工作，因此得到应力载荷

近似为线性关系，见表1。插值得到959MPa对应的载荷为1901N。由此得到齿板上每排齿最大

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的许用载荷为1901N。

表1载荷应力表

2D显式仿真计算啮合载荷

4.1仿真模型整体介绍

该机构沿x向主要简化为四个面，1、4为齿轮和齿板啮合面，2、3为导向面，主要承受y

向载荷，如图4所示。

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