基于數值模擬分析汽車發動機齒輪應力及模具磨損

中圖分類號：U464.13 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）06-0158-03

BasedonNumerical Simulationof the Stress of Automotive Engine GearsandtheAnalysisof MoldWear WangHonglei，Li Xiaozhan

（Shangqiu Instituteof Technology，School of Mechanical Engineering，Shangqiu 476ooo，China）

【Abstract】Through numerical simulation methods，thisarticle systematically analyzes the stress distribution and mold wear characteristics of automotive engine gears during the forging process.Based on the finite element analysis technology，theequivalent stress（up to566MPa）and strain concentrationareas（such as thetooth root）during the closeddie forging processof gears were simulated toreveal thecorelation between stressconcentrationand forging defects.Combining the mold designprinciples（precision，durability，and maintainability），optimize thematerial selection（high-speed stee，hard ally），structuraldesign（uniform force distribution），and manufacturing processes （electrical dischargemachining，wirecutting）.Theresearch significantly improves theservice lifeof themoldby reducingthe forging speedandadjusting the mold parameters tocontrol the mold wear within O.Ooo30lmm.This achievement provides theoreticalbasisand technical supportfor theeficient manufacturingof enginegearsand the servicelife extension of molds.

【Key words】 engine gear；stress simulation analysis；strain simulation analysis；mold wea

1發動機齒輪模具的設計原則

1.1 精確性

齒輪作為發動機的核心部件之一，其設計和制造的品質直接關系到發動機的性能和壽命，齒輪在發動機中扮演著傳遞力量、密封氣缸和散熱等多重角色，因此，它的形狀、尺寸和材料的選擇都必須經過嚴格的計算和測試，而這一切的基礎，就是齒輪模具的設計，所以保證模具的精確性至關重要[1-2]

1.2 耐用性

作為現代工業生產必不可少的核心部件，齒輪模具在高溫、高壓的工作環境下承擔著十分重要的作用，要求齒輪模具能夠在這種條件良好的環境下穩定且高效率地運行，就必須擁有良好的耐磨、耐腐蝕和不形變的能力。

結構優化設計也是齒輪模具設計的難題，需要設計者根據實際工作中對齒輪模具的工作條件和受力情況，對齒輪模具結構進行準確的計算和優化，采取合理的結構設計，確保齒輪模具在進行工作時結構受力均勻，避免發生應力集中變形等情況。

1.3 可維護性

模具是現代工業生產的重要工藝工裝，模具設計、制造及維修都非常重要3，特別是在急劇發展的市場背景下，模具維修及更換是否有效直接決定著企業的生產效率及生產成本，在對模具進行設計的時候，需要考慮模具設計的模塊化、標準化、互換性，以此來確保模具的維修及更換效率。

除模塊化、標準化和互換性外，模具的拆卸、安裝操作也應盡量簡單化。簡單化的拆卸、安裝操作能降低操作者勞動強度，節省操作時間，提升維修效率。為了達到這一目的，可在模具設計中采用快捷連接、定位結構等，使模具的拆卸、安裝更加輕便、快捷。

2發動機齒輪模具設計的關鍵要素

2.1 材料選擇

齒輪模具是工業制造的必備部件，其本身的品質將直接影響產品的品質和效率，想要確保齒輪模具優秀的品質需要選擇合適的原材料，好的齒輪模具需要具有良好的強度、硬度、耐磨性以及散熱性等特性來抵抗高溫高壓高速環境4。

在實際應用中，常用齒輪模具材料主要有高速鋼、硬質合金及陶瓷等。高速鋼的強度與硬度較高，常用來制造一般負荷、中速的齒輪模具。硬質合金硬度、耐磨性均較高，常用來制造高負荷、高速的齒輪模具。陶瓷材料具有極其高硬度的耐磨性，常用來制造極高要求的齒輪模具。

2.2 結構設計

設計齒輪模具結構，是將模具受力、熱平衡、模具制造精度等關鍵因素有機融合后的工程問題，結構設計需要合理兼顧各項因素，是實現設計的性能與壽命的關鍵。

受力情況是齒輪模具設計的重要方面之一，模具本身在工作時會受到多方向的壓力與沖擊力量，因而要求設計師一定要使模具本身的結構牢固，能夠承受力的作用。例如，增大模具本身的壁厚、增大模具的支撐結構及合理分布模具的受力點等都可以強化模具的受力能力。

2.3 制造工藝

制造工藝對齒輪模具品質以及使用壽命的高低有著直接的影響，齒輪模具在制造過程中需要認真選擇適用的制造工藝，以此才能保證最終齒輪模具的性能穩定。齒輪模具制造常見的工藝有電火花、線切割以及磨削工藝等。齒輪模具的制造工藝各有優勢與不足，需要結合實際生產的具體需求、齒輪模具材料和結構等綜合決定。

此外，在確定齒輪模具的制造方法過程中還要綜合生產效率、生產成本等因素。如大批次生產時采用磨削工藝就未必合適，由于磨削時間長可能會影響生產效率，可以考慮采用電火花加工或線切割等生產率高的工藝方式。

3模擬分析在齒輪模具設計中的應用

3.1 應力分析

所謂應力集中的現象就是指模具內部某個局部范圍的應力過于集中，容易造成模具在此部位開裂、斷裂等失效。應力集中的分析是模具在鍛造汽車發動機齒輪過程中能否成型、是否能保證性能及提高生產效率的前提條件。齒輪鍛造在材料加熱高溫高壓下，內部應力分布很不均勻。在閉式模鍛加工中，齒輪鍛壞在鍛模中的型腔內受力也不均勻，從而造成應力集中。根據有限元分析模型，不均勻的應力分布易造成裂紋、折疊，從而降低齒輪的機械性能與壽命。

仿真可以正確找出應力集中的區域，可提前在設計過程中進行相關材料加厚或是結構修改，以減弱應力集中的情況。如圖1所示，最大應力出現在齒側，且最大等效應力為 566MPa ，依據米賽斯屈服準則能滿足生產條件。

3.2 應變分析

齒輪受鍛件不均勻力作用發生復雜的應力應變情況。在熱鍛過程中，材料溫度升高，材料的屈服極限降低，應變增加，材料在多向應力下的屈服極限可表達為一橢球面，鍛造過程的應變分析考慮該理論模型，使材料變形過程中不至于斷裂和過度變形。

實際齒輪鍛造中對變形情況進行應變分析，一般通過模擬獲取鍛造過程齒輪各部的應變分布，進而調整鍛造工藝參數，如鍛造速度、鍛造溫度及模具形狀。模擬如圖2所示，通過模擬發現齒輪鍛造過程中齒根部存在應變集中，有可能導致鍛造后齒根出裂紋，可以通過調整鍛造工藝參數，如降低鍛造速度或對模具進行改良，降低應變集中，從而提高齒輪的壽命。

應變分析還包括在材料微觀結構上的變化，因為鍛造會引起材料內部晶粒變形，從而改變材料的力學特性，鍛造之后的齒輪材料晶粒組織細化提高了材料強度和韌性，由此從應變分析上可對鍛件的鍛造工藝參數進行改善，使之產生預期的微觀組織和性質。

3.3提高模具壽命

由于受力、熱應力等因素的作用，模具在工作過程中也會產生應力集中、變形等現象，直接影響模具的精度、穩定性及使用壽命。如何降低模具工作過程中的應力水平和變形程度成為模具性能和使用壽命能否更進一步提升的關鍵所在，合理優化模具的制造工藝具有十分重要的意義。

改進工藝也是降低模具應力及變形的一項重要因素。通過工藝參數的調整延長了模具壽命，如圖3所示，模具最大磨損量為 0.0000301mm ，達到了模具壽命的要求。在模具加工過程中，一定要控制工藝參數，如熱處理的溫度、冷卻速度、加工余量等，以降低模具內殘余應力及變形。采用先進的鍛壓工藝技術等方法可提高模具加工精度以及模具表面品質，進而降低應力集中程度，降低變形量。

4結論

文章基于有限元計算，對發動機齒輪鍛造過程中的應力與應變分布、模具磨損失效機理進行了相關研究，得出： ① 有限元模擬的結果可以發現齒側位置最大應力集中以及齒根應變超限的區域，有利于設計模具的薄弱部位，如優化應力均勻分布部位、鍛造速度工藝的優化； ② 使用高速鋼與硬質合金進行模具加工，并電火花成型，增加了模具的耐磨耗、使用壽命，模具磨損能力控制在幾微米，達到了優化工藝結果； ③ 利用了模塊化設計與快卡快卸結構，減少模具修模難度，控制修模成本。此工藝理論研究可以為提高齒輪精準鍛造以及優化生產新工藝技術的改進提供一定的研究資料。本次工作能夠為滿足一定條件下模具的耐損可靠性設計提供了理論的基礎資料，為進一步滿足各種條件下的加工精度提供一定的研究方向。

參考文獻

[1]王江平.齒輪冷擠壓模具失效形式分析及設計方法研究[D].重慶：重慶理工大學，2023.

[2]許偉偉，許丁，梁坤，等.銑刨齒鋼體冷擠壓成形工藝與模具設計分析[J].熱加工工藝，2023，52（17）：63-67.

[3]楊晶，王媛，馬輝.齒輪多工步擠壓工藝及模具技術研究[J].中國機械，2023（1）：37-40，45.

[4]谷文金，孫立臣.凸輪軸正時齒輪成形工藝分析與壓制模具設計[J].汽車制造業，2020（13）：27-28.

（編輯楊凱麟）

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