减速系统强度匹配设计方法
【专利摘要】本发明提供一种以强度潜能充分发挥为目标的减速系统强度匹配设计方法，利用整车标准道路循环，获得零件载荷分布特征，并基于材料低载强化特性，确定零件最佳工作应力区间，通过主动设计与控制系统内相互耦合的零件强度匹配，建立关联零件具有强化效果的应力重合区间，实现减速系统的最佳强度匹配设计。本发明的以强度潜能充分发挥为目标的减速系统强度匹配设计方法能够结合材料的低载强化特性，充分发挥各零件的强度潜能，通过耦合零件间强度的合理匹配，避免系统内部分零件强度过剩而体积过大，实现减速系统整体轻量化。
【专利说明】减速系统强度匹配设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种减速系统强度匹配设计方法，属于汽车设计领域。
【背景技术】
[0002]汽车等地面车辆的减速系统，不同于结构支撑零件或单一传动零件，它是多个动力传递零件组成的复杂系统，设计时必须考虑零件间的强度与刚度匹配。目前，由于各零件的载荷谱难以测取，对零件的强度变化特征缺乏深入地了解，对零件间的强度匹配也缺少深入研究，各零件的设计均采用传统的许用应力加安全系数的方法完成。为了满足系统的可靠性，设计过程中往往给整个系统赋予较高的安全系数，致使个别零件体积过大、强度过剩，同时也导致了整个减速系统的重量增大，造成了材料的浪费。
[0003]近年来，国内对汽车传动系统的轻量化研究进展有限，且大多采用结构优化技术进行优化减速器壳体的外形和壁厚，或者采用镁铝合金材料代替铝合金制造壳体。对单个支撑结构件进行轻量化设计，只需根据强度变化特性确定其强度限值，而减速系统作为一个动力传递部件或总成，必须考虑关联传力零件(如轴-齿轮、齿轮-齿轮、轴-轴承等)间的强度合理匹配，进行系统性的轻量化设计，才能有效减小重量和体积，避免一方强度过剩而另一方强度不足。真正对传动系统中的齿轮、轴、箱体等零件开展轻量化设计，特别是以充分发挥各零件强度潜能的条件下完成减速系统强度匹配设计，最终实现系统整体轻量化的研究尚未见到。
【发明内容】
[0004]本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种能够结合材料的低载强化特性，充分发挥零件的强度潜能，通过耦合零件间强度的合理匹配，实现减速系统整体轻量化的强度匹配设计方法。
[0005]本发明提供一种减速系统强度匹配设计方法，以强度潜能充分发挥为目标，合理匹配关联零件强度，其特征在于，包括以下步骤:
[0006]步骤一，分析减速系统中零件的材料低载强化特性，确定各零件低载强化特性和疲劳特性；
[0007]步骤二，基于整车标准道路循环，建立零件载荷分布特征模型；
[0008]步骤三，确定系统各零件的最佳工作应力范围；
[0009]步骤四，进行关联零件最佳工作应力区间重合度的设计，获得最佳强化应力重合区间，建立期望的零件工作载荷分布模型；
[0010]步骤五，控制与调节减速系统各零件间的强度和刚度的合理匹配，建立期望的减速系统最佳工作应力谱；
[0011]步骤六，依据强度匹配得到的零件尺寸，完成减速系统的轻量化设计；
[0012]步骤七，对减速系统进行模态特性、动刚度特性试验分析，如果满足要求，进一步进行系统可靠性和耐久性试验；如果不满足要求，继续优化调整零件间强度匹配设计。
[0013]另外，本发明提供的减速系统强度匹配设计方法还可以具有这样的特征:其中，减速系统中的零件为齿轮、轴、轴承或壳体等。
[0014]另外，本发明提供的减速系统强度匹配设计方法还可以具有这样的特征:其中，步骤三中最佳工作应力范围确定方法具体为，基于材料的低载强化特性，通过综合考虑零件关键受力部位的应力集中系数、零件尺寸系数等因素，将材料的低载强化特性转化为零件的低载强化特性，从而确定零件的最佳强化应力区间，亦即所述的最佳工作应力范围。
[0015]另外，本发明提供的减速系统强度匹配设计方法还可以具有这样的特征:其中，最佳强化应力重合区间的获得方法为:
[0016]当关联零件的材料相同时，首先使关联零件工作应力的均值都处于材料的低载强化区间，并且让每个零件的载荷尽可能分布在材料的最佳强化载荷附近，并且使尺寸较小的零件的载荷离材料的最佳强化载荷最接近或重合，最后获得关联材料的最佳强化应力重合区间；
[0017]当关联零件的材料不相同时，首先使关联零件工作应力的均值都处于材料的低载强化区间，并且让每个零件的载荷尽可能分布在材料的最佳强化载荷附近，最后获得关联材料的最佳强化应力重合区间。
[0018]另外，本发明提供的减速系统强度匹配设计方法还可以具有这样的特征:其中，最佳强化应力重合区间为关联零件都具有强化效果的应力区间。
[0019]发明作用与效果
[0020]根据本发明的减速系统强度匹配设计方法，由于利用整车标准道路循环，获得零件载荷分布特征，并基于材料低载强化特性，确定零件最佳工作应力区间，通过主动设计与控制系统内相互耦合的零件强度匹配，建立关联零件具有强化效果的应力重合区间，因此能够实现减速系统的最佳强度匹配设计，降低系统的部分强度过剩并缩小零件体积，使减速系统处于最佳的轻量化水平，节省减速系统所占空间，同时还获得降低传动系统动载荷的效果，从而实现从零件级轻量化设计过渡到系统级轻量化设计，从支撑结构件轻量化设计过渡到动力传动零件的轻量化设计。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明的减速系统强度匹配设计方法的流程图；
[0022]图2是关联零件材料相同时的强度匹配设计原理图；以及
[0023]图3是关联零件材料不相同时的强度匹配设计原理图。
【具体实施方式】
[0024]图1是本发明的减速系统强度匹配设计方法的流程图。
[0025]如图1所示，本实施例的减速系统强度匹配设计方法以各零件强度潜能充分发挥为目标，进行减速系统强度匹配设计的流程。首先对标准道路循环工况研究分析，建立减速系统中齿轮、轴、轴承及壳体等各个零件应有的载荷分布特征，基于零件材料的强度变化特性，获得零件最佳工作应力范围，通过主动设计传动系统各零件的载荷谱，控制关联零件的最佳工作应力区间重合度，建立期望的零件工作应力谱，寻找零件间强度的最佳匹配，降低系统的部分零件强度过剩并缩小零件体积，实现系统轻量化。
[0026]本实施例的设计方法，具体包括以下步骤:
[0027](I)分析材料低载强化特性，确定各零件低载强化特性和疲劳特性；
[0028](2)基于整车标准道路循环，建立零件载荷分布特征模型；
[0029](3)确定系统各零件的最佳工作应力范围；
[0030](4)进行关联零件最佳工作应力区间重合度的设计，获得最佳强化应力重合区间，建立期望的零件工作载荷分布模型，同时可以初步完成各零件的设计；
[0031](5)控制与调节减速系统各零件间的强度和刚度的合理匹配，建立期望的系统最佳工作应力谱；
[0032]要实现减速系统各零件强度的合理匹配，无论相互耦合零件是否材料相同，必须掌握各零件强度的变化特征，主动设计各个零件的载荷谱，即工作应力谱。主动控制具有不同初始强度的零件获得近于相同的强度衰减率，获得关联零件具有强化效果的应力重合区间，即让两个相互耦合的零件都工作在近于相同的应力区间。有意识的让零件在强化应力下强度得到锻炼和提高，使用过程中强度潜能充分发挥出来。
[0033]两个相互耦合零件，也即关联零件的材料可以相同或不同。强度匹配设计需要考虑这两种情况。
[0034]图2是关联零件材料相同时的强度匹配设计原理图。
[0035]如图2所示，以材料相同两齿轮啮合传动为例,齿轮I为主动轮,齿轮2为从动轮。两齿轮具有相同的材料和相同的低载强化区间，在对齿轮的强度进行匹配时，首先使齿轮I的工作应力均值σ al和齿轮2的工作应力均值σ a2都处于材料低载强化区间，并且让每个零件的载荷尽可能分布在最佳强化载荷σ _附近，而且使σ al离最佳强化载荷σ _最近或与σ _重合，最终获得两啮合齿轮都具有强化效果的应力重合区间。
[0036]图3是关联零件材料不相同时的强度匹配设计原理图。
[0037]如图3所示，当两关联零件的材料不相同，材料的低载强化区间也不相同，但两种材料的低载强化重合区间可以确定，关联零件强度匹配过程中，使σ &和σ a2都处于有低载强化效果的重合区间，并且让每个零件的载荷尽可能在最佳强化载荷附近，而且使Oal离最佳强化载荷σ _最近或与σ _重合。
[0038](6)依据匹配参数，完成减速系统的轻量化设计；
[0039](7)对减速系统进行模态特性、动刚度特性试验分析，如果满足要求，进一步进行系统可靠性和耐久性试验；如果不满足要求，继续优化调整零件间强度匹配设计，让零件强度潜能充分发挥，进行减速器系统设计，直到符合要求。
[0040]本发明的减速系统强度匹配设计方法，利用整车标准道路循环赋予减速系统各个零件的载荷特征，结合材料的低载强化特性，通过合理设计，减小减速系统中齿轮、轴、箱体等零件尺寸，规定对应的标准道路循环应力的大小，使各零件的工作应力在具有低载强化效果的原则下得到合理控制，满足零件强度的相互匹配，从根本上实现满足可靠性和耐久性里程要求的减速系统整体轻量化。
[0041]实施例作用与效果
[0042]根据本实施例所涉及的减速系统强度匹配设计方法，由于利用整车标准道路循环，获得零件载荷分布特征，并基于材料低载强化特性，确定零件最佳工作应力区间，通过主动设计与控制系统内相互耦合的零件强度匹配，建立关联零件具有强化效果的应力重合区间，因此能够实现减速系统的最佳强度匹配设计，而且通过耦合零件强度的合理匹配，降低系统的部分强度过剩并缩小零件体积，使减速系统处于最佳的轻量化水平，节省减速系统所占空间，同时还获得降低传动系统动载荷的效果，从而实现从零件级轻量化设计过渡到系统级轻量化设计，从支撑结构件轻量化设计过渡到动力传动零件的轻量化设计。
[0043]当然，本发明涉及的减速系统强度匹配设计方法并不仅仅限定于以上实施例中的描述。
【权利要求】
1.一种减速系统强度匹配设计方法，以强度潜能充分发挥为目标，利用标准道路循环，基于材料的低载强化特性，合理匹配关联零件强度，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一，分析减速系统中零件的材料低载强化特性，确定各零件低载强化特性和疲劳特性； 步骤二，基于整车标准道路循环，建立零件载荷分布特征模型； 步骤三，确定系统各零件的最佳工作应力范围； 步骤四，进行关联零件最佳工作应力区间重合度的设计，获得最佳强化应力重合区间，建立期望的零件工作载荷分布模型； 步骤五，控制与调节减速系统各零件间的强度和刚度的合理匹配，建立期望的减速系统最佳工作应力谱； 步骤六，依据强度匹配得到的零件尺寸，完成减速系统的轻量化设计； 步骤七，对减速系统进行模态特性、动刚度特性试验分析，如果满足要求，进一步进行系统可靠性和耐久性试验；如果不满足要求，继续优化调整零件间强度匹配设计。
2.根据权利要求1所述的减速系统强度匹配设计方法，其特征在于: 其中，所述减速系统中的零件为齿轮、轴、轴承或壳体等。
3.根据权利要求1所述的减速系统强度匹配设计方法，其特征在于: 其中，所述步骤三中最佳工作应力范围确定方法具体为，基于材料的低载强化特性，通过综合考虑零件关键受力部位的应力集中系数、零件尺寸系数等因素，将材料的低载强化特性转化为零件的低载强化特性，从而确定零件的最佳强化应力区间，亦即所述的最佳工作应力范围。
4.根据权利要求1所述的减速系统强度匹配设计方法，其特征在于: 其中，所述最佳强化应力重合区间的获得方法为: 当关联零件的材料相同时，首先使关联零件工作应力的均值都处于材料的低载强化区间，并且让每个零件的载荷尽可能分布在材料的最佳强化载荷附近，并且使尺寸较小的零件的载荷离材料的最佳强化载荷最接近或重合，最后获得关联材料的最佳强化应力重合区间； 当关联零件的材料不同时，首先使关联零件工作应力的均值都处于材料的低载强化区间，并且让每个零件的载荷尽可能分布在材料的最佳强化载荷附近，最后获得关联材料的最佳强化应力重合区间。
5.根据权利要求1所述的减速系统强度匹配设计方法，其特征在于: 其中，所述最佳强化应力重合区间为关联零件都具有强化效果的应力区间。
【文档编号】G06F17/50GK104408254SQ201410698163
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月27日 优先权日:2014年11月27日
【发明者】郑松林, 宁欣, 刘新田, 冯金芝, 高大威, 赵礼辉, 沈永峰, 陈铁, 于佳伟, 郭正翔, 沈健, 周亚捷, 花菲菲 申请人:上海理工大学