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原文传递某型取力器结构优化及其动态特性分析

论文题名：	某型取力器结构优化及其动态特性分析
关键词：	汽车取力器;啮合齿轮;动态特性;结构优化;有限元分析
摘要：	汽车取力器（PTO）是实现专用汽车与其专有设备之间动力传递的重要部件，在多数情况下是装在变速箱外侧的附加装置，其重量和寿命对专用汽车的使用和制造成本有直接影响。为了降低制造成本、提高市场竞争力，本文以取力器系统为研究对象来进行分析与研究，主要内容如下：　　(1)概述了汽车轻量化技术和啮合齿轮系统动态特性国内外研究现状，预测了取力器今后的发展趋势，提出了取力器结构优化及其动态特性分析的思路，建立了取力器系统三维实体模型。在利用有限元分析软件进行精确建模的基础上对取力器箱体和啮合齿轮副系统进行模态分析，所得取力器箱体的固有频率为评价优化后的箱体结构动态特性提供重要指标。　　(2)对取力器箱体结构进行刚强度分析，分别研究其在静力学和动力学下的应力、位移分布云图，分析结果为其结构优化提供理论依据。分析结果表明，静、动力学下的最大位移值均远小于所允许的最大位移值，说明箱体结构具有足够的刚度，同时所得最大应力值远小于箱体材料的最大许用应力值，说明箱体结构也具有足够的强度。分析结果还表明，齿轮啮合过程中会产生对箱体较大的振动冲击，只要起步时间大于某一时间，箱体在工作过程中所能承受的最大应力是可以接受的，故通过仿真得到的冲击时刻点和不同作用时间箱体的最大应力时变曲线能为发动机转速的控制提供可靠的依据。另外，对取力器轴分别进行理论强度分析和动力学结构强度分析，考虑到所研究轴只承受弯矩，故利用轴的弯曲强度进行校核。结果表明，取力器轴在理论强度和动力学强度分析下工作强度是足够的。　　(3)对取力器啮合齿轮系统有限元模型进行动力学数值分析，确定了啮合齿轮副传动过程中轮齿的应力大小及位置分布情况，并且啮合齿轮的最大应力随输入轴作用时间的增长而减小，而随着摩擦因子的变大，最大应力总体变化走向是增大，尽管有所波动但范围不大。对啮合齿轮进行动态性能分析，得出双联齿轮副转速所对应的啮合频率接近自身的固有频率时，引起齿轮副的共振，振动情况剧烈。分析还得出啮合齿轮和输入轴角加速度时变曲线基本一致，说明输入轴的振动对齿轮的啮合性能影响较大，减小输入轴振动有助于提高取力器齿轮系统啮合传动性能，同时齿轮的轴向窜动对取力器系统几乎没有影响。　　(4)在保证取力器箱体性能与原结构相差不大的前提下，尽可能减少材料，同时结合使用轻金属等低密轻质新型材料的方法，根据计算结果按照代表应力小的蓝色区域减薄、代表应力大的红色区域增厚原则，以箱体的总质量最小为目标，约束条件为箱体的最大位移值和最大应力值，对原箱体的结构进行改进优化，之后对改进优化后的箱体结构再次进行静、动力学分析和模态分析。分析结果表明，改进后取力器箱体在静、动力学条件下最大位移在许用范围之内，故可判断改进后的箱体结构满足刚度要求；虽然箱体结构改进后的应力值略有增大，但仍小于箱体材料的最大许用应力值，可认为改进后的箱体结构也满足强度要求。此外改进后取力器箱体在自由模态下的第一阶固有频率也远远高于对于变速器和油泵作为外界激励对应的转动频率，可认为改进后箱体结构也满足动态特性要求。　　综上所述，基于动力学分析有效地实现对取力器工作状态的真实模拟，合理地获得动载荷下箱体的应力、位移分布和时变曲线可指导完成箱体结构的优化，实现了企业在产品设计研发阶段对取力器箱体等关键零部件进行结构刚强度分析和对啮合齿轮动态特性分析及预测，为啮合齿轮失效分析、使用寿命的影响因素及改善方法的研究奠定基础，为企业在减少产品的生产制造成本，提升产品的设计研发水平，增强企业的核心竞争力方面提供思路和方法。
作者：	张文博
专业：	机械工程
导师：	何林
授予学位：	硕士
授予学位单位：	贵州大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文