驱动桥半轴啮合齿数和长度对半轴强度的影响

覃汝庆，朱江新，覃频频

（广西大学机械工程学院，广西南宁530004）

驱动桥半轴啮合齿数和长度对半轴强度的影响

覃汝庆，朱江新，覃频频

（广西大学机械工程学院，广西南宁530004）

为了研究驱动桥半轴花健啮合齿数和啮合长度对半轴强度的影响，以某装载机传动半轴为研究对象，选取不同的啮合齿数和啮合长度参数，使用A N S Y S软件分析了花健最大等效应力与啮合齿数和啮合长度参数间的相互关系，研究了啮合齿数与啮合长度对半轴强度的影响。

啮合齿数；啮合长度；等效应力；半轴强度

装载机半轴局部简化结构如图1所示。其所受的载荷来自于半轴齿轮，即通过半轴上的外花键与半轴齿轮的内花键相啮合来传递扭矩[1]，为了研究花健啮合齿数和长度对半轴工作过程中花健齿应力应变场分布结果的影响，本文对不同参数值对半轴花健进行有限元静力分析，探索不同参数对花健齿的影响，对半轴强度分析具有重要意义。

图1 驱动桥半轴结构示意图

1 驱动桥半轴模型的建立

本文所研究的对象为某装载机半轴，材料为20CrMnTi，弹性模量EX为2.12×1011Pa，泊松比0.293，抗拉强度1 080 MPa，屈服强度835 MPa，半轴的全长1 190 mm，轴体直径53mm，左端花键部分的长度是82 mm，右端花键部分的长度是70 mm.花健的主要参数值如下表1所示。

表1 某装载机驱动桥半轴花健主要参数

本文首先在UG软件中半轴三维几何模型进行参数化精确建模，然后导入到Ansys中进行有限元分析，为了提高计算效率，在不影响计算结果的情况下，对模型进行简化。简化过程中，文献[2]认为当离齿根的深度达到1.5 m、宽度达到6 m时（m为齿轮的模数），齿轮体变形基本不受影响，可以近似看作该处的实际位移为零，选取半轴花健进行分析。简化后的半轴模型如图2所示。

图2 简化的半轴三维模型

2 驱动桥半轴破坏形式及受力分析

2.1 驱动桥半轴破坏形式

装载机的工作环境复杂，其半轴等零部件受到不同变应力的作用，零部件在外载荷的作用下，应力集中在不连续的拐角处，首先产生裂纹生成疲劳问题。由断口微观分析半轴的失效形式，花健齿出现了明显的变形，在承受大的应力时，齿根部分产生的与表面平行的裂纹[3]。磨损会使零件的几何形状和尺寸发生缓慢而连续的破坏，使得零件丧失了原有的工作性能。驱动桥半轴受破坏形式如图3所示。

图3 驱动桥半轴破坏形式

2.2 驱动桥半轴受力分析

本文研究的装载机半轴为全浮式，将主传动系通过差速器传来的转矩和运动传给轮边减速器，装载机半轴花键一端插在半轴齿轮花键孔中，另一端插在太阳轮的花键孔中，形成了花键副啮合，由于半轴传输的扭矩能力大，花键受力也大。

半轴的长期使用过程会产生不同程度的损伤和破坏。由有限元分析可以看出越往花健齿根靠近的应力值越大，花健退刀槽端部的应力值最大，被视为其薄弱部位[4]。

半轴花健所受力公式：

式中，N为啮合齿数；R为花健分度圆半径；n为花健啮合线上节点数。

本文研究的半轴花健齿数一共有28个，半轴传递扭矩是半轴花健与半轴齿轮互相啮合，

右端花健长度70mm.由于半轴传输的扭矩能力大，花键受力也大。然而齿与齿之间的齿侧间隙不同，当轴扭转时齿对之间的间隙逐渐变小，但是并不是所有的齿之间的间隙都同时减小到零，齿侧间隙最小的一对首先相互啮合并开始输送转矩负载，直到第二对啮合，以此类推，直到施满载荷。也就是花键副啮合时，齿侧间隙小的花键齿先啮合，齿侧间隙大的次之，而实际啮合的对数比花键齿数要小[5]。所以半轴在工作的过程中齿数的啮合数会发生变化，啮合的长度也会发生变化。在齿数上选择28、27、26、25、24，啮合长度选择70 mm、65 mm、60mm、55 mm、50 mm、45 mm、40 mm、30 mm，一共建立了40个有限元模型。

3 驱动桥半轴三维静态有限元分析

为了提高齿轮啮合的计算精度，选择solid186单元类型，网格精度为6，半轴采用六面体网格划分。单齿啮合区的啮合线是产生齿根弯曲应力最大的啮合位置，为了分析齿跟应力分布，半轴承受扭矩时，花健啮合在承受区域范围内的一条线上[6]，花健所受力如图4所示。施加载荷约束时根据齿轮传动特性，在全局柱坐标系下加载力，故在齿面A的啮合线在柱坐标下施加线均布载荷，在B面施加全约束，如图5所示。

图4 单齿啮合区域

图5 半轴花健有限元模型

4 结果分析

当花健啮合长度是70 mm，分别取啮合齿数为28、27个时，花健齿通过有限元计算分析后，花健齿最大等效应力分别为331 MPa、344 MPa，最大等效应力值位于花健齿端处。根据不同啮合的齿数和长度建立不同的有限元模型。

图6中可以看出花健齿最大等效应力值在不同啮合齿数和长度的变化情况，从图中数据可以得出以下结论：

图7 不同啮合齿数与长度齿最大等效应力变化情况

（1）与花健齿全部啮合齿数和啮合长度参数变化时，花健齿最大等效应力的变化范围为331~750 MPa，可以看出花健齿有明显的应力集中作用；

（2）同样的啮合齿数，随着啮合长度值的逐渐减小花健齿最大等效应力随之增大，当啮合长度值小于35 mm时，也就是啮合长度为右花健的1/2时，应力值变化曲线突变；

（3）同样的啮合长度值，随着啮合齿数的减小，半轴花健的花健齿最大等效应力随之增大。

（4）从图6可以看出，当啮合齿数为24个时，半轴花健齿最大等效应力值会产生突变，啮合长度在55 mm时，花健齿最大等效应力值会超过所允许应力值。

5 结束语

本文使用有限元分析软件ANSYS对不同半轴花健啮合齿数及长度进行了静态模拟分析。通过对设定了花健齿数、长度两个不同参数的40个模型进行三维有限元分析，得到了不同齿数与长度时齿面及齿根等效应力结果，通过图表形式对得到的分析结果进行对比研究，得出不同啮合齿数与长度时等效应力的相互关系，对给出半轴花健强度判据具有重大的理论指导作用。

[1]杨占敏，王智明，张春秋.轮式装载机[M].北京：化学工业出版社，2005.

[2]庄竞，袁卫华.TY320型终传动齿轮有限元分析及结构改进[J].工程机械，2006，（37）：31-34.

[3]蒙秋红，张丽.某新型装载机前桥半轴断裂失效分析及改进措施[J].工程机械，2009，（40）：59-62.

[4]王继新，胡季，侯晓婷.利用载荷谱的轮式装载机半轴有限元分析[J].现代制造工程，2010，（5）：1-3.

[5]ROBINSR R.Tooth engagement evaluation oI involute spline couplings[D].[S.1.]：EngineeringBrigham YoungUniversity，2008.

[6]濮良贵，纪名刚.机械设计手册[M].北京：高等教育出版社，2006.

The Number of Teeth and the Length Engagement of Drive Axle Shaft Affect the Axle Strength

QIN Ru-qing，ZHU Jiang-xin，QIN Ping-ping
（School of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

In order to study the number of teeth and the length engagement of driving axle shaft spline affect the axle strength. Taking a loader drive axle for the study，select a different number of teeth and the length engagement parameter. Using ANSYS software to analyze the relationship between the spline maximum equivalent stress and the number of teeth and the length engagement parameter. Researched the effect of the number of teeth and the length of the axle engaging strength.

number of engaging teeth；length of engaging strength；equivalent stress；axle shaft strength

T K243

A

1672-545X（2016）09-0026-03

2016-06-09

覃汝庆（1990-），女，广西合山人，硕士研究生，研究方向为机电液一体化。