應用于再制造的變速箱齒輪疲勞壽命預測

馬 峻

（北京電子科技職業學院，北京 100070）

應用于再制造的變速箱齒輪疲勞壽命預測

馬 峻

（北京電子科技職業學院，北京 100070）

文章就汽車核心部件變速箱進行了動力學仿真、有限元分析，并在此基礎上參照國家報廢汽車標準，進行了齒輪剩余壽命的預測。得出結論：報廢汽車變速箱三擋齒輪仍能滿足下一生命周期的工作要求，具備再制造的基礎。

報廢；變速箱齒輪；再制造；壽命預測

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

當前隨著汽車工業的飛速發展，汽車保有量不斷提升，由汽車所帶來的污染和能源問題日益被人們重視。隨著人們生活水平的不斷提高，汽車更新換代頻率加快，汽車的報廢量逐年增加。報廢汽車若得不到及時的處置，不光造成資源的巨大浪費，還會對環境產生極大的污染和破壞；若處置得當，在變廢為寶的同時還能保護環境、節約資源，促進經濟的可持續發展。

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，批量地恢復零部件尺寸、形位、表面質量和性能要求，經過裝配形成新產品再使用[1]。再制造是一個以產品全壽命周期設計和管理為指導，以優質、高效、節能、節材、環保為目標，以先進技術和產業化為手段，來修復或改造廢舊產品的一系列技術措施或工程活動的總稱[2]。再制造與維修都是以避免重新購買為前提，將不能正常工作的零件進行處理，使其恢復正常的使用性能。但維修僅對使用年限內且具有繼續使用價值的零件進行修復，以恢復其性能，日常的維修以替換零件為主。再制造則是一種具有專業性、互換性、規模化的恢復產品性能的方式。它以大批量的待用廢舊零部件為生產對象，運用現代化工業生產方式使產品的性能上一個層次，同時再制造產品附有質量保修承諾，具備新產品同樣的售后服務標準，維修、再制造與產品性能的關系如圖1所示[3]。

2 變速箱齒輪疲勞壽命預測

為解決發動機轉速轉矩變化范圍小和汽車使用工況復雜的矛盾，在汽車傳動系內加入了變速箱，通過齒輪機構的不同組合達到改變速度和轉矩的目的。因此變速箱的齒輪情況直接決定了汽車整體的使用壽命。據研究，變速箱所有零件中齒輪失效比重最大，達到 60%[4]，因此對變速箱齒輪的疲勞失效預測對變速箱的使用及再制造具有重要意義。

圖1 維修、再制造與產品性能的關系

手動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，對其進行疲勞壽命預測具有代表性。結合傳統疲勞壽命分析理論，采用聯合仿真的方法進行預測，具體的思路如圖2所示。

圖2 疲勞壽命預測流程

2.1 齒輪組的動力學仿真

設定汽車在三檔時車速50Km/h，發動機轉速2600r/min，輸出功率50kw，定義P0為輸出功率；n0為轉速；η為離合器傳動效率，取0.99；η1為軸承和三檔齒輪的傳動效率，取0.96；三檔主動齒輪齒數Z1=29；從動齒輪齒數Z2=40；傳動比i12=1.38；取模數m=2。

根據以上計算的基本參數，在Pro/E中建立齒輪嚙合模型。將嚙合模型導入Adams，建立虛擬樣機。設置仿真時間0.5s，仿真步數100步。

該組齒輪嚙合的力分為圓周力 Ft；徑向力 Fr；軸向力Fa，其理論計算值與虛擬仿真值對比見表1。

表1 齒輪嚙合力理論值與仿真值對照表

從表中可以看出，理論值與仿真值誤差在±10%以內，誤差較小。將結果數據傳給疲勞分析軟件Fatigue。

2.2 齒輪組的有限元分析

由于齒輪在工作時只有少部分齒參與嚙合，為簡化齒輪的有限元分析計算量，將齒輪模型簡化為僅有3-4個齒，如圖2所示。為獲得更好的計算效果，采用二次六面體單元進行劃分，網格類型為20節點SOLID95單元，共劃分為23358個單元，41758個節點，如圖3所示。定義求解時間為1s，子步數設定為50步進行求解。

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

圖3 齒輪組簡化模型

圖4 齒輪組網格劃分

強度公式計算結果與ansys應力分析結果見表2。

表2 應力分析結果對比

從表中可以看出，理論值與仿真值誤差在±15%以內，將結果數據傳給疲勞仿真軟件Fatigue。

2.3 材料的疲勞特性曲線

調用軟件Fatigue材料特性曲線數據庫，40Cr和45鋼材料特性曲線。

2.4 變速箱剩余壽命預測

變速箱齒輪當量服役壽命計算公式為：

式中N0為當量服役壽命；N為齒輪平均轉速；S為汽車報廢規定公里數；V汽車平均行駛速度。

目前國家取消了私家車 15 年使用年限的規定，采用公里數來計算，將總公里數定在 60 萬公里左右。因此變速箱按照國家規定按 60 萬公里報廢，定義全壽命中平均轉速2600r/min；平均車速45km/h。

通過Fatigue計算，在不考慮齒面損傷的情況下，齒輪受循環載荷作用，齒根處最易發生疲勞斷裂。按照有限元分析的網格劃分模型，節點10012處為主動輪最危險部位，壽命7.65×1010次；節點 22176處為從動輪最危險部位，壽命5.96×1010次。

由軟件Fatigue得到齒輪預測的疲勞壽命減去當量服役壽命得到剩余疲勞壽命，若剩余疲勞壽命大于當量服役壽命，則理論上滿足下一服役周期的使用，能夠進行再制造的加工，其表達式為：則滿足下一周期的使用。

3 結論

為緩解汽車工業飛速發展對環境帶來的壓力，再制造近年來廣泛應用于汽車工業。但作為汽車大國的我們，再制造行業發展緩慢。本文通過理論計算與軟件仿真探索了報廢汽車變速箱再制造的可能性。通過計算，發現報廢變速箱的齒輪其剩余使用壽命仍可滿足下一生命周期的使用要求，其具備再制造的理論基礎。

[1] 徐濱士,馬世寧.21 世紀的再制造工程[J].中國機械工程,2000（11）36-38.

[2] 陳迅,簡怡,王臻.再制造及對我國汽車再制造的思考[J].工業工程與管理,2004（2）：59-61.

[3] 張少亭,變速箱齒輪剩余疲勞壽命預測及再制造可行性研究[D].合肥:合肥工業大學,2009:4

[4] 尹安東,汽車變速箱齒輪故障模糊聚類診斷技術的應用研究[D].合肥:合肥工業大學,2002:7.

Fatigue Life Prediction of Transmission Gear Used in Remanufacturing

Ma Jun
( Beijing Polytechnic, Beijing 100070）

TH132.41 文獻標志碼：A 文章編號：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學院。