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原文传递电动汽车减速器齿轮断裂失效分析及裂纹扩展规律研究

论文题名：	电动汽车减速器齿轮断裂失效分析及裂纹扩展规律研究
关键词：	电动汽车;减速器齿轮;断裂失效;裂纹扩展规律;疲劳寿命
摘要：	减速器是用于传递扭矩和改变速度的齿轮传动系统，具有可靠、传动效率高以及运行平稳等特点，是电动汽车的核心零部件。目前电动汽车的驱动方案主要是采用电动机与两档减速器直联的结构形式，汽车在行驶过程中，减速器齿轮会受到随机的循环载荷的作用，导致齿轮容易发生失效，影响汽车行驶的可靠性和安全性。齿轮的失效形式一般包括疲劳断裂、冲击断裂、齿面胶合、磨损等，导致这些失效的原因也各有不同。　　本论文首先针对某电动汽车减速器发生断齿的故障进行了失效分析，并结合Creo和ANSYS Workbench软件建立了减速器齿轮动力学模型来分析减速器齿轮啮合时的应力状态。在此基础之上，结合Creo、Abaqus和Franc3D软件建立了裂纹扩展模型，模拟分析了斜齿轮在啮合时的裂纹扩展特点和影响因素，并通过疲劳裂纹扩展实验验证有限元模型的可靠性，建立了斜齿轮疲劳寿命的预测方法，研究结果能为斜齿轮的设计和实际生产提供指导。具体研究内容和研究结论如下：　　本文首先对某公司生产的电动汽车减速器内的斜齿轮发生断齿现象进行了SEM分析、金相检验、元素组成、渗碳层与硬度检测。初步确定了减速器发生断齿的原因为齿轮本身的材质不达标，导致齿轮根部的硬度和渗碳层等达不到要求，从而在巨大的冲击力作用下发生了脆性断裂。随后在Creo中建立了电动汽车减速器的有限元模型，并用ANSYS Workbench计算了减速器在工作过程中的应力分布，发现齿轮的根部存在着巨大的应力集中现象，为理化实验的齿轮脆性断裂提供了支撑。　　接下来根据减速器所有断齿的特征和Workbench计算的应力分布结果，在Abaqus中建立了用于疲劳裂纹扩展分析的有限元模型。采用Franc3D软件分别计算了该减速器斜齿轮在不同载荷、应力比、裂纹初始尺寸、裂纹初始角度以及裂纹初始位置的应力强度因子以及剩余疲劳寿命。结果发现，Ⅰ型应力强度因子受这些参数的影响最大，Ⅱ、Ⅲ型应力强度因子只有裂纹初始角度的改变影响较大；剩余寿命则随着载荷减小、应力比增大、裂纹初始尺寸减小而增大，初始角度为30°时的寿命最大，裂纹初始位置的寿命则与载荷的直接影响区域有关，当载荷不处于载荷直接影响区域时，随着远离载荷寿命减小。同时也可看出斜齿轮的剩余寿命受到了三类应力强度因子的综合影响，且Ⅰ型应力强度因子占据了主要的位置。随裂纹初始角度、尺寸、位置以及载荷的改变，裂纹扩展路径的走向相似，表明裂纹扩展路径因这些因素的改变受到的影响较小。　　其次通过Creo软件，建立参数化的斜齿轮模型，修改斜齿轮的模数、齿数、螺旋角，获得了不同的斜齿轮模型。将斜齿轮的模型导入Workbench中计算了啮合应力的分布和啮合位置的变化，并在Abaqus中建立了相应的单齿模型后导入了Franc3D。计算了应力强度因子和剩余寿命随模数、齿数和螺旋角的影响规律。结果表明，模数的改变主要会对Ⅰ型应力强度因子产生影响，且剩余寿命随着模数的增大而减少；齿数的改变对三类应力强度因子都会产生影响，但Ⅰ型受到的影响更大，剩余寿命随着齿数的增大而增加；螺旋角的改变会对Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子产生影响，剩余寿命中当螺旋角为11时最大。　　最后设计了含角裂纹的直齿轮疲劳裂纹扩展试验和有限元仿真分析，分别从实验的裂纹扩展路径和有限元仿真得到的裂纹扩展路径、实验齿轮的断面和有限元仿真的疲劳条纹两个方面验证了有限元方法的可靠性。并从有限元中分别提取了初始步、末尾步的前一步以及末尾步的应力强度因子，解释了含角裂纹的直齿轮在齿面上的裂纹扩展速度高于端面上的扩展速度的原因。
作者：	冯增杰
专业：	材料科学与工程
导师：	冯玮
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021