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第 1 7 卷 第 8 期 2 0 1 7 年 3 月 科 学 技 术 与 工 程 Vol .17 No .8 Mar . 2017
1671 — 1 8 1 5 (2 0 1 7 )0 0 8 -0 1 6 5 -0 6 Science Technology and Engineering © 2017 Sci . Tech . Engrg .
地铁列车减速器直齿轮弯曲疲劳有限
元分析与试验
吕 中 和 杨 建 伟 *
( 北京建筑大学机电与车辆工程学院;城市轨道交通车辆服役性能保障北京市重点试验室,北京 100044)
摘 要 为研究地铁列车减速器小齿轮齿根部受力情况及弯曲疲劳裂纹萌生的机理,通过建立齿轮副有限元模型,对齿轮啮
合过程进行瞬态动力学分析,得到了齿轮啮合过程中齿根处的应力-时间历程进而对齿根弯曲疲劳行为进行了试验研究。瞬
态动力学分析表明,小齿轮齿根处在啮合过程中受到脉动循环载荷的作用,最大拉应力出现在齿轮啮合至分度圆时;且齿根
处最大主应力的方向为沿齿根切线方向。齿根弯曲疲劳试验结果表明,裂纹在齿根弧线的中间位置萌生,方向为齿根切线的
垂直方向。结合有限元分析结果可发现,齿根处裂纹在最大拉应力幅值位置萌生,其扩展行为受最大拉应力的主导。为进一
步优化齿轮的设计、制造工艺及材料的选择提供了依据。
关 键 词 地 铁齿轮 有限元法 齿轮弯曲疲劳 齿轮弯曲疲劳强度试验 疲劳裂纹 裂纹形貌
中 图 法 分 类 号 TH132; 文 献 标 志 码 A
近年来随着我国城市面积的不断扩大,城市轨 进行弯曲疲劳强度试验证明与前两种理论方法得出
道交通已变成人们出行的首选。随着城市轨道交通 的结论一致,然而,他们没有说明压力角的变化对于
网络不断增大、列车的运行里程不断增加、启停次数 最大弯曲应力出现点位置的影响。中南大学的唐进
不断增加,在列车行驶时减速器小齿轮发生疲劳断 元、刘艳平[2],研究正交面齿轮在加载条件下面齿
裂的事故也在不断增加。目前对于齿轮的材料选 轮啮合的弯曲应力变化规律的有限元分析计算关键
择、制造工艺及热处理都比较成功,但由于齿轮在工 技术,给出面齿轮在啮合过程中的应力最大值位置,
作时的受力情况非常复杂,使得齿轮的损伤形式和 计算面齿轮多齿模型接触应力及弯曲应力极值,准
失效形式具有多样性,而齿轮的弯曲疲劳断裂是齿 确得到了面齿轮传动的传动性能参数,以及载荷对
轮的一种主要失效形式。 于性能参数的影响。
对于齿轮弯曲疲劳,国内外有很多学者做出了 本文在对于齿轮弯曲疲劳的研究中,通过有限
有限元分析或试验的研究。如肖望强、李威、韩建友 元分析对齿轮的啮合过程进行了瞬态动力学分析,
等[1],提出并设计了两侧压力角不等的非对称渐开 得到了齿根处各节点的应力-时间历程,分析了齿轮
线齿轮,并推导了这种新型齿轮轮齿两侧渐开线齿 啮合过程中齿根处的应力变化模式,指出了齿根受
廓方程和齿根过渡曲线方程,提出了非对称齿轮齿 到最大弯曲应力的方向和位置。通过齿轮弯曲疲劳
根弯曲应力解析法计算公式,建立了有限元模型,计 强度试验得出齿轮的s -w 曲线,并通过形貌分析仪
算得出齿根最大弯曲应力随着压力角的增大逐渐降 分析裂纹的特征,对地铁齿轮齿根弯曲疲劳机理进
低,同时随着压力角的增大单齿啮合区逐渐向齿顶 行了研究。
偏移,制造了压力角为35°的非对称标准齿轮,通过
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