汽車減速器外殼凸緣零件損傷因子與應(yīng)力分析研究

中圖分類號：U463.218 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）06-0120-03

ResearchonDamage Factorsand StressAnalysisofFlangePartsofAutomobileReducer！

Liu Lili，Wang Jingjing （Shangqiu Instituteof Technology，School of Mechanical Engineering，Shangqiu 476ooo，China）

【Abstract】This article aims at the problem that the flange parts of theautomotive reducer housing are prone to failureundercomplexloads.Combinedwiththedamagefactortheoryand stressanalysismethod，thefiniteelement numerical simulation technologyisadoptedto conduct asystematic studyon its damage mechanism and stress distribution.Byestablishing thedamage factormodelandthe stressanalysis model，the stressconcentrationareasand damageaccumulation lawsof the parts under diferent working conditionsare simulated.Theresultsshow thattherootof theprotruding edgeisthekeydamage area，withthedamage factorreachingup to2.57，approachingthefatigue limitof the material.Undertheactionofforming load，thestresspeak at theconvex arcontheoutsideof theconnection joint reaches53oMPa，whichissignificantlyhigherthantheyield strengthof thematerial.Theresearchadopts high-strength materials to optimize the flange structure design andadjusts the geometric parameters to reduce stress concentration.The ffectiveessofnumericalsimulationtechnologyinpredictingthefailureriskofpartsandoptimizingdesignisverified， providing theoretical supportandengineering practiceguidanceforimprovingthereliabilityofautomotivetransmission systems.

【Key words】 flange parts；damage factor；stress analysis；numerical simulation

0 引言

汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展使汽車零部件的技術(shù)要求日益提高，其中關(guān)鍵部件一減速器外殼的凸緣零件的可靠性問題和安全性問題是目前主要技術(shù)目標。由于該零件經(jīng)常在復(fù)雜載荷與應(yīng)力作用下工作，極易發(fā)生損傷，從而影響汽車的性能與壽命。國際汽車工程師學會SAE的研究表明約 30% 的汽車故障由傳動系統(tǒng)造成，其中不少原因與減速器有關(guān)，因此，對減速器外殼凸緣零件的損傷因子和應(yīng)力開展相關(guān)研究對提高汽車傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性具有重要的現(xiàn)實意義。本文重點研究了汽車減速器外殼凸緣零件生產(chǎn)過程中損傷因子和應(yīng)力之間的對應(yīng)關(guān)系以及應(yīng)力對零件品質(zhì)的影響。通過數(shù)值模擬技術(shù)預(yù)測零件在不同工況下的損傷機理，分析應(yīng)力對零件整體性能結(jié)構(gòu)的影響，利用有限元分析模型模擬零件在受重復(fù)載荷作用下疲勞損傷過程，觀察損傷因子在載荷發(fā)生變化時累積的過程，對不同材料、參數(shù)進行結(jié)果比較，為汽車減速器外殼凸緣零件設(shè)計提供參考。

1數(shù)值模擬基礎(chǔ)理論

1.1損傷因子理論基礎(chǔ)

汽車減速器殼體凸臺件疲勞的可靠性是整個傳動系統(tǒng)可靠性的重要保證。損傷因子理論原理可以對零部件在多場載荷作用下的損傷程度進行定量化描述。基于Lemaitre和Chaboche提出的損傷演化方程，損傷因子 D 是時間 Φ_t 與應(yīng)力 σ 的函數(shù)， D=D（σ，t） 。在有限元中引入損傷變量，可以更為精確地預(yù)測零件在循環(huán)加載情況下的疲勞壽命，通過有限元分析得到汽車減速器殼體凸臺件在不同工況下的應(yīng)力分布情況，計算得到損傷因子，并進行零件壽命預(yù)測。在實際驗證中發(fā)現(xiàn)，可以通過改變材料微觀組織結(jié)構(gòu)，例如晶粒大小和偏析程度，來降低損傷因子，提高零件使用壽命。

1.2 應(yīng)力分析原理

應(yīng)力分析原理基于對零件制造成形過程中承受載荷應(yīng)力的正確認知，其中包括對材料在塑性范圍內(nèi)的響應(yīng)特征及在高溫高壓條件下的成形機理性預(yù)測，根據(jù)有限元模擬技術(shù)對零件成形過程開展應(yīng)力狀態(tài)模擬，在此基礎(chǔ)上對零件應(yīng)力集中點位進行預(yù)測，形成應(yīng)力分布評估。針對某型號汽車減速器殼體凸緣件進行應(yīng)力分析的過程中，可基于Deform軟件完成相關(guān)成形模擬工作，對邊界條件、材料性能等方面采取合理配置，確保模擬結(jié)果真實性。

2汽車減速器外殼突緣零件設(shè)計

2.1零件結(jié)構(gòu)與材料選擇

汽車減速器外殼凸緣零件結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計和材料的選擇是零件性能、耐久性的重要保證。減速器外殼凸緣零件在傳遞高扭矩、受沖擊載荷的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，對材料的要求較高，如采用高強度鋼或鋁合金，將提供強度剛度，減少零件的質(zhì)量，這對減少油耗及提高汽車行駛效率是有益的[-2。在減速器外殼凸緣零件的設(shè)計過程中，使用數(shù)值模擬方法對減速器零件使用不同種類的材料作損傷因子的比較分析，預(yù)測零件在循環(huán)載荷作用下的使用壽命，建立零件在極限狀態(tài)的有限元分析模型，分析零件在極限使用狀態(tài)時的應(yīng)力、變形分析數(shù)據(jù)，優(yōu)化設(shè)計，保證零件在實際使用過程的可靠性3。汽車減速器外殼凸緣零件在沖壓、鍛造等成形載荷情況下，研究分析成形過程中所受變形載荷，用應(yīng)力分析手段預(yù)測并控制零件在制造、成形過程中的裂紋、變形、開裂等問題，預(yù)測零件在成形載荷下可能發(fā)生裂紋等問題，可以在設(shè)計初期盡量避免此類問題的產(chǎn)生。同時，應(yīng)用損傷因子理論和應(yīng)力分析為汽車減速器外殼凸緣零件結(jié)構(gòu)合理設(shè)計提供科學依據(jù)，確保了結(jié)構(gòu)在嚴酷工況條件下的穩(wěn)定性和安全性。

2.2設(shè)計參數(shù)與性能要求

汽車減速器殼體凸緣零件的設(shè)計涉及選材、確定參數(shù)等，對零件的性能、壽命具有十分重要的影響。考慮到零件承受大扭矩且受沖擊載荷影響，應(yīng)選用強度較高的鋁合金材料，屈服強度必須達350MPa以上，確保零件在極端工況下不產(chǎn)生塑性變形[4-5]。根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計、載荷和性能要求來選取參數(shù)，性能設(shè)計分為多種，材料、零件、表面、表面保護材料均要求實現(xiàn)一定性能，有機械、疲勞性能要求，表面性能也有一定需求，比如在表面處理采用陽極化處理，提高表面的抗腐蝕性能，保證零件的使用壽命較長，壽命按疲勞試驗應(yīng)大于106次，滿足長期使用。

3損傷因子的數(shù)值模擬分析

3.1損傷因子模型建立

設(shè)定一個典型的載荷循環(huán)，模擬零件啟動、工作和制動過程的應(yīng)力分布情況，并運用材料的力學特性、疲勞理論建立損傷因子模型，來預(yù)測零件在循環(huán)載荷下?lián)p傷的累積情況，也可以應(yīng)用Miner法來計算損傷因子，Miner認為損傷就是載荷循環(huán)次數(shù)和每周期損傷的總和。引入塑性變形理論細化模型，預(yù)測材料在高應(yīng)力狀態(tài)下的行為。在損傷因子模型中將考慮材料的各向異性、溫度影響、制造缺陷影響等，建立模型結(jié)構(gòu)，通過試驗結(jié)果進行對比，對模型進行校核，以實現(xiàn)更好的預(yù)測精度。

3.2損傷因子模擬過程與結(jié)果

結(jié)合汽車減速器外殼突緣零件，利用有限元數(shù)值模擬分析方法驗證了分析結(jié)果的合理性。在有限元分析模型創(chuàng)建完成后，對零件在相應(yīng)工況的載荷和約束條件下進行了模擬分析，得出在實際工況下該零件的應(yīng)力分布與位移分布情況。由圖1可知，汽車減速器外殼零件在受到特定工況載荷時，在凸緣處出現(xiàn)了較集中的應(yīng)力分布，其附近損傷因子的數(shù)值明顯高于其他區(qū)域的數(shù)值，模擬驗證所得凸緣法蘭處損傷因子數(shù)值最大為2.57，接近于材料的疲勞極限，說明在設(shè)計時凸緣處零件需選取較高強度材料以優(yōu)化其使用可靠性。同時用較高強度鋼制作突緣可降低突緣處的損傷因子，提升減速器外殼零件的使用壽命。

4應(yīng)力的數(shù)值模擬分析

4.1 應(yīng)力模型建立

汽車減速器外殼凸緣零件應(yīng)力模型是零件應(yīng)力設(shè)計和分析的基礎(chǔ)，而建立一個可靠的應(yīng)力模型，應(yīng)該包含較精確的數(shù)值模擬計算模型，基于模型，才能準確預(yù)測其承受的實際工作狀況。本文采取有限元方法建立應(yīng)力模型，在選取對應(yīng)的單元及材料性質(zhì)、邊界條件后，可模擬出零件不同工作狀況下的應(yīng)力及變形情況。而對于一個典型的汽車減速器外殼凸緣零件而言，在模型中需要施加相當于其實際工作載荷的力，其目的是模擬該汽車減速器零件受極限載荷應(yīng)力時的響應(yīng)，在分析中不僅包含理論計算，也有試驗數(shù)據(jù)及前期研究的驗證。

4.2應(yīng)力模擬過程與結(jié)果

利用合理有效、可靠的有限元模擬分析手段，建立產(chǎn)品三維模型，準確、合理地確定材料、邊界以及加壓條件等，模擬產(chǎn)品成形時應(yīng)力分布變形情況。圖2模擬結(jié)果表明，當外部壓力（應(yīng)力）作用在零部件上時，其最高應(yīng)力集中點主要集中在零部件和減速器外殼之間連接口外側(cè)凸圓弧處（P1所在區(qū)域最大值為 342MPa 、P2處所在區(qū)域最大值為292MPa） ，最大值為 530MPa 。該結(jié)果表明，在產(chǎn)品設(shè)計中，應(yīng)對這部分的結(jié)構(gòu)材料作重點關(guān)注，以確保它的結(jié)構(gòu)強度，避免或延緩疲勞破壞。

5結(jié)論

本文建立了汽車減速器殼體凸緣零件有限元模型，對殼體凸緣零件應(yīng)力分布及損傷因子進行了數(shù)值分析。分析結(jié)果表明： ① 凸緣根部由于凸緣幾何特點及加載特點成為最大應(yīng)力點區(qū)域，損傷因子為2.57，很接近材料的疲勞強度，應(yīng)采用高強鋼或鋁合金材料保證零件的疲勞性能； ② 成形力加載后，連接口外側(cè)凸圓弧處最大應(yīng)力為 530MPa ，明顯超過材料的屈服強度（ 350MPa， ，說明連接處可采用結(jié)構(gòu)設(shè)計（如圓弧過渡等）及材料選材來降低連接口外側(cè)凸圓弧部位的應(yīng)力集中； ③ 有限元法對于零部件的失效分析較為準確和可靠，可以在設(shè)計初期發(fā)現(xiàn)缺陷，提高零部件的使用壽命。

參考文獻

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（編輯楊凱麟）

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