基于缺口试件的啮合齿轮弯曲疲劳极限评估方法及装置制造方法
【专利摘要】基于缺口试件的啮合齿轮弯曲疲劳极限评估方法及装置，包括：步骤1：建立啮合齿轮对有限元模型；步骤2：建立缺口试件有限元模型；步骤3：确定步骤1中模型齿根部应力集中系数，建立应力与齿面深度的关系曲线；步骤4：确定步骤2中试件缺口处应力集中系数，建立应力与缺口面深度的关系曲线；步骤5：比较步骤3-4中应力集中系数的一致性及关系曲线的重合度，重复步骤4，确定缺口试件的最终几何参数及疲劳极限载荷；步骤6：确定材料固有裂纹长度；步骤7：对任意尺寸的齿轮建模，重复步骤3-5，确定相应缺口试件的几何参数及载荷特征；步骤8：建立齿轮弯曲疲劳极限估算模型；步骤9：建立缺口试件与齿轮的应力等效关系，确定齿轮弯曲疲劳寿命。
【专利说明】基于缺口试件的啮合齿轮弯曲疲劳极限评估方法及装置
【技术领域】
[0001] 本发明是关于齿轮弯曲疲劳强度计算技术，特别是关于一种基于缺口试件的啮合 齿轮弯曲疲劳极限评估方法，属于结构评估与试验测试领域。
【背景技术】
[0002] 齿轮作为动力传动的主体，齿的弯曲疲劳是齿轮中最普遍的一种疲劳失效模式， 明确齿轮弯曲疲劳强度，已成为齿轮抗疲劳设计的重要依据。
[0003] 现有齿轮弯曲疲劳极限的评估方法主要有传统法、有限元法等。传统法是主要基 于材料力学弯曲应力计算方法，从悬臂梁等效和系数修正的角度，来评估齿根应力，带有很 大的近似性。而常规有限元法，主要是基于弹塑性力学和Von-Mises准则，修正了传统方法 近似性的不足。但是它们都是从理想材料角度出发，没有考虑材料本身缺陷或裂纹的影响， 从而导致估算结果很不准确。此外，从试验的角度，这些方法的可靠性和适用性密切建立在 获取特定尺寸的齿轮疲劳试验数据的基础上。而齿轮加工工序复杂、生产周期长，且齿轮模 数、齿数等几何参数发生变化，试验必须重新开展，这就需花费大量的时间和成本。
[0004] 因此，一种具有良好的理论基础、试验量小、成本低，而且可以比较稳定与准确获 得齿轮弯曲疲劳极限及寿命的评估方法及测试装置急需研究。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种基于缺口试件的啮合齿轮弯曲疲劳极限评估方法及装置，以简化 实际构件疲劳极限计算过程，提高计算准确度，降低试验成本低，缩短试验周期。
[0006] 为了实现上述目的，本发明提供一种基于缺口试件的啮合齿轮对弯曲疲劳极限估 算方法，所述的方法包括：
[0007] 步骤1 :根据包含齿轮模数、齿数及宽度的齿轮相关参数创建齿轮实体模型，赋予 齿轮弹塑性材料属性，进行网格划分，建立齿轮对面接触属性，施加边界条件，建立齿轮啮 合有限元模型；
[0008] 步骤2 :创建初始缺口试件实体模型，赋予所述齿轮弹塑性材料属性，进行网格划 分，施加边界条件，建立缺口试件有限元模型；
[0009] 步骤3 :进行所述步骤1，施加试验获取的极限扭转载荷Tf，找出网格表面及次表 面第一预定距离内的最大Von-Mises应力S f发生的位置，求得齿根部应力集中系数Kt，建 立Sf与齿面深度Η的对应关系曲线，确定齿根部应力梯度变化趋势；
[0010] 步骤4 :进行所述步骤2,施加预定疲劳载荷ρ，找出网格表面及次表面第二预定距 离内的最大Von-Mises应力〇发生的位置，求得缺口处应力集中系数kt，建立应力〇与缺 口面深度h的对应关系曲线，确定缺口处应力梯度变化趋势；
[0011] 步骤5 :改变缺口试件的几何参数和载荷值，重复所述步骤4,使所述的Kt与kt 一 致，使所述&与齿面深度Η的对应关系曲线与所述应力〇与缺口面深度h的对应关系曲线 重合，确定所述缺口试件的最终几何参数、施加的疲劳极限载荷&以及相应的疲劳极限σ f 或 Δ σ f ;
[0012] 步骤6 :根据材料基本属性-裂纹扩展门槛值AKth，建立缺口试件疲劳极限估算模 型，结合所述步骤5中确定的△ 〇 f，计算材料固有裂纹长度;
[0013] 步骤7 :在一定扭矩Τ'下，对任意不同结构尺寸的齿轮进行建模，重复所述步骤3 到步骤5,确定相应缺口试件的几何参数、施加的疲劳载荷ρ'、缺口处疲劳强度σ'及应 力集中系数V t ;
[0014] 步骤8 :根据所述步骤6中材料固有裂纹长度afe、及步骤7中确定的k' t，建立对 应任意几何尺寸及扭矩条件下的齿轮弯曲疲劳极限估算模型及缺口试件弯曲疲劳极限估 算模型。
[0015] 在一实施例中，所述齿轮弹塑性材料属性为：〇 y = 368MPa、E = 200GPa、v = 〇. 3、 η = 0. 203。
[0016] 在一实施例中，所述步骤2中，在缺口试件的两端进行加载的方式施加均匀载荷。
[0017] 在一实施例中，在所述步骤6中，计算所述材料固有裂纹长度afe，包括：
[0018] 将缺口试件向中性面投影；
[0019] 假设缺口处裂纹长度为a，基于缺口深度ξ，考虑修正系数，计算缺口裂纹处应 力强度因子范围ΛΚ:
【权利要求】
1. 一种基于缺口试件的啮合齿轮弯曲疲劳极限评估方法，其特征在于，所述的方法包 括： 步骤1:根据包含齿轮模数、齿数及宽度的齿轮相关参数创建齿轮实体模型，赋予齿轮 弹塑性材料属性，进行网格划分，建立齿轮对面接触属性，施加边界条件，建立齿轮啮合有 限元模型； 步骤2 :创建初始缺口试件实体模型，赋予所述齿轮弹塑性材料属性，进行网格划分， 施加边界条件，建立缺口试件有限元模型； 步骤3 :进行所述步骤1，施加试验获取的极限扭转载荷Tf，找出网格表面及次表面第 一预定距离内的最大Von-Mises应力Sf发生的位置，求得齿根部应力集中系数Kt，建立Sf与齿面深度H的对应关系曲线，确定齿根部应力梯度变化趋势； 步骤4 :进行所述步骤2,施加预定疲劳载荷p，找出网格表面及次表面第二预定距离内 的最大Von-Mises应力〇发生的位置，求得缺口处应力集中系数kt，建立应力〇与缺口面 深度h的对应关系曲线，确定缺口处应力梯度变化趋势； 步骤5 :改变缺口试件的几何参数和载荷值，重复所述步骤4,使所述的Kt与kt 一致， 使所述Sf与齿面深度H的对应关系曲线与所述应力〇与缺口面深度h的对应关系曲线重 合，确定所述缺口试件的最终几何参数、施加的疲劳极限载荷？!^以及相应的疲劳极限〇 !^或 A 〇 f ; 步骤6 :根据材料基本属性-裂纹扩展门槛值AKth，建立缺口试件疲劳极限估算模型， 结合所述步骤5中确定的A 〇 f，计算材料固有裂纹长度; 步骤7 :在一定扭矩T'下，对任意不同结构尺寸的齿轮进行建模，重复所述步骤3到步 骤5,确定相应缺口试件的几何参数、施加的疲劳载荷p'、缺口处疲劳强度〇 '及应力集 中系数k' t ; 步骤8 :根据所述步骤6中材料固有裂纹长度、及步骤7中确定的k' t，建立对应任 意几何尺寸及扭矩条件下的齿轮弯曲疲劳极限估算模型及缺口试件弯曲疲劳极限估算模 型。
2. 根据权利要求1所述的基于缺口试件的啮合齿轮对弯曲疲劳极限评估方法，其特征 在于，所述齿轮弹塑性材料属性为：〇 y = 368MPa、E = 200GPa、v = 〇? 3、n = 0? 203。
3. 根据权利要求1所述的基于缺口试件的啮合齿轮对弯曲疲劳极限评估方法，其特征 在于，所述步骤2中，在缺口试件的两端进行加载的方式施加均匀载荷。
4. 根据权利要求1所述的基于缺口试件的啮合齿轮对弯曲疲劳极限评估方法，其特征 在于，在所述步骤6中，计算所述材料固有裂纹长度afe，包括： 将缺口试件向中性面投影； 假设缺口处裂纹长度为a，基于缺口深度I，考虑修正系数，计算缺口裂纹处应力强 度因子范围AK:
其中，《=￥，D为缺口试样大端直径，d为试样最小截面直径； 基于短裂纹理论，将所述材料固有裂纹长度定义为；
其中，AKth为裂纹扩展门槛值，△ 〇f为无裂纹试样的疲劳极限； 对应裂纹长度a+afe，所述裂纹应力强度因子范围变为；
当a = 0时，确定对应的应力强度因子范围为：
(4) 确定对应、和A 〇 f的裂纹扩展门槛值A Kth为：
(5) 根据步骤5确定的A 〇 f，基于下述公式，反推值；
其中，A 〇为齿轮两端施加的应力幅值的2倍。
5. 根据权利要求4所述的基于缺口试件的啮合齿轮对弯曲疲劳极限评估方法，其特征 在于，所述的缺口试件弯曲疲劳极限估算模型为：
其中，AS为缺口试件两端施加的应力幅值的2倍。
6. 根据权利要求1所述的基于缺口试件的啮合齿轮对弯曲疲劳极限评估方法，其特征 在于，所述齿轮面接触属性包括：库伦摩擦系数及法线方向的硬接触。
7. -种基于缺口试件的啮合齿轮弯曲疲劳极限评估装置，其特征在于，所述的装置包 括： 齿轮模型建立单元，用于根据包含齿轮模数、齿数及宽度的齿轮相关参数创建齿轮实 体模型，赋予齿轮弹塑性材料属性，进行网格划分，建立齿轮对面接触属性，施加边界条件， 建立齿轮啮合有限元模型； 缺口试件模型建立单元，用于创建初始缺口试件实体模型，赋予所述齿轮弹塑性材料 属性，进行网格划分，施加边界条件，建立缺口试件有限元模型； 第一曲线生成单元，用于通过所述齿轮模型建立单元，施加试验获取的极限扭转载荷 Tf，找出网格表面及次表面第一预定距离内的最大Von-Mises应力Sf发生的位置，求得齿根 部应力集中系数Kt，建立Sf与齿面深度H的对应关系曲线，确定齿根部应力梯度变化趋势； 第二曲线生成单元，用于通过所述缺口试件模型建立单元，施加预定疲劳载荷P，找出 网格表面及次表面第二预定距离内的最大Von-Mises应力〇发生的位置，求得缺口处应力 集中系数kt，建立应力〇与缺口面深度h的对应关系曲线，确定缺口处应力梯度变化趋势； 参数计算单元，用于改变缺口试件的几何参数和载荷值，通过第二曲线生成单元，使所 述的Kt与kt 一致，使所述Sf与齿面深度H的对应关系曲线与所述应力〇与缺口面深度h 的对应关系曲线重合，确定所述缺口试件的最终几何参数、施加的疲劳极限载荷口{以及相 应的疲劳极限〇 f或A 〇 f ; 材料固有裂纹长度计算单元，用于根据材料基本属性-裂纹扩展门槛值AKth，建立缺 口试件疲劳极限估算模型，结合所述参数计算单元确定的△ 〇f，计算材料固有裂纹长度 atr ; 参数生成单元，用于在一定扭矩T'下，对任意不同结构尺寸的齿轮进行建模，通过所 述第一曲线生成单元、第二曲线生成单元及参数计算单元，确定相应缺口试件的几何参数、 施加的疲劳载荷P'、缺口处疲劳强度及应力集中系数k' t; 弯曲疲劳极限估算单元，用于根据所述材料固有裂纹长度计算单元确定材料固有裂纹 长度、及参数生成单元确定的k' t，建立对应任意几何尺寸及扭矩条件下的齿轮弯曲疲 劳极限估算模型及缺口试件弯曲疲劳极限估算模型。
8. 根据权利要求7所述的基于缺口试件的啮合齿轮对弯曲疲劳极限评估装置，其特征 在于，所述齿轮弹塑性材料属性为：〇 y = 368MPa、E = 200GPa、v = 〇? 3、n = 0? 203。
9. 根据权利要求7所述的基于缺口试件的啮合齿轮对弯曲疲劳极限评估装置，其特征 在于，所述缺口试件模型建立单元在缺口试件的两端进行加载的方式施加均匀载荷。
10. 根据权利要求7所述的基于缺口试件的啮合齿轮对弯曲疲劳极限评估装置，其特 征在于，所述的材料固有裂纹长度计算单元包括： 投影模块，用于将缺口试件向中性面投影； 应力强度因子生成模块，用于假设缺口处裂纹长度为a，基于缺口深度I，考虑修正系 数P，计算缺口裂纹处应力强度因子范围AK:
(1) 其中，
〕为缺口试样大端直径，d为试样最小截面直径； 参数替换模块，用于基于短裂纹理论，将所述材料固有裂纹长度定义为；
(2) 其中，AKth为裂纹扩展门槛值，△ 〇f为无裂纹试样的疲劳极限； 对应裂纹长度a+afe，所述裂纹应力强度因子范围变为；
(3) 修正模块，用于当a = 0时，确定对应的应力强度因子范围为：
(4) 材料固有裂纹长度计算模块，用于确定对应3&和△ 〇f的裂纹扩展门槛值AKth为：
(5) 根据参数计算单元确定的△ 〇f，基于下述公式，反推3^值；
其中，A 〇为齿轮两端施加的应力幅值的2倍。
11. 根据权利要求10所述的基于缺口试件的啮合齿轮对弯曲疲劳极限评估装置，其特 征在于，所述的缺口试件弯曲疲劳极限估算模型为：
其中,l 山人m网-|丫n口、」/Aiyj t田'I且口、」乙1百°
12. 根据权利要求7所述的基于缺口试件的啮合齿轮对弯曲疲劳极限评估装置，其特 征在于，所述齿轮面接触属性包括：库伦摩擦系数及法线方向的硬接触。
【文档编号】G06F19/00GK104281782SQ201410539658
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年10月13日 优先权日:2014年10月13日
【发明者】李伟, 邓海龙, 孙振铎, 张震宇, 张晓航 申请人:北京理工大学