汽车四驱分动器换挡控制机构齿轮动力学分析

何端

遵义职业技术学院，贵州遵义 563000)

0 引言

四驱汽车经过一百多年的发展，主要可分为适时四驱、全时四驱和分时四驱3种类型。而分时四驱中最重要结构为汽车四驱分动器换挡控制机构，为驾驶者手动在二驱和四驱之间进行切换。一般而言，四驱汽车的工作环境比两轮驱动的汽车更为恶劣，设计也更为复杂。如果设计不合理极有可能导致分动器各组成部分产生共振从而导致产品损坏，直至影响整车的性能。因此，对汽车四驱分动器各组成部分进行动力学分析极其重要，其中包括汽车四驱分动器换挡控制机构。而传动齿轮是汽车四驱分动器换挡控制机构中最重要的零件，齿轮的啮合冲击是整个齿轮传动过程中引起齿轮箱振动的主要原因之一。啮合齿轮之间的动态应力情况决定着齿轮在传动过程中的失效形式，并直接影响啮合齿轮的使用寿命[1]。对啮合齿轮进行动态特性分析，对提高或改善齿轮啮合传动的连续性、稳定性和可靠性具有重要意义[2]。

本文作者基于ANSYS/LS-DYNA对汽车四驱分动器换挡控制机构齿轮进行动力学仿真，得到齿轮在运动过程中的受力情况，为该机构齿轮优化设计提供参考。

1 机构齿轮有限元分析模型的建立

1.1 齿轮三维模型建立

四驱分动器换挡控制机构采用直齿轮传动，运用SolidWorks中的插件GearTrax对齿轮进行三维建模[3]。大齿轮和中齿轮以及中齿轮和小齿轮的啮合中心距分别为a=62.8 mm、b=30.8 mm，齿宽为7.8 mm。各齿轮参数如表1所示。

表1 汽车四驱分动器换挡控制机构齿轮参数

输入大齿轮相应的模数、压力角、齿数，设置好啮合中心距，选择只生成大齿轮，点击创建模型即得到所需大齿轮的模型。大齿轮建模如图1所示。

用同样的方法完成其余齿轮的参数化三维建模，根据给定的齿轮啮合参数完成啮合装配，如图2所示。

图1 大齿轮模型

图2 齿轮副装配模型

1.2 有限元模型建立

将SolidWorks 中建立的模型去除多余的导角，保存为.stp格式，而后导入ANSYS中[4]。根据模型尺寸采取2 mm网格进行划分，同时为了使分析更精确，需要对接触区域的网格进行细化，并采用网格类型为十节点四面体单元，共划分693 540个节点和438 423个单元。划分完成的齿轮有限元模型如图3 所示。

图3 齿轮组有限元网格模型

2 机构齿轮静强度分析

对导入ANSYS中的模型,采用面面接触方式[5]，其中主动齿轮面作为目标面(小齿轮)，从动齿轮面作为接触面(大齿轮)，法向接触行为选择“硬接触”方式，摩擦因数设置为0.15，并设置材料参数。齿轮的材料为渗铜粉末冶金FD0405，其材料参数见表2。

表2 齿轮材料FD0405的参数

采用节点坐标系约束主动轮轴孔表面节点的径向自由度，使主动轮只绕回转中心旋转；释放从动轮沿轴向方向的转动自由度，约束其余5个方向自由度。

由图4可知：大齿轮和中齿轮最大接触应力为419.18 MPa，中齿轮和小齿轮的最大接触应力为350.56 MPa，齿轮啮合的最大应力均小于渗铜粉末冶金FD0405的许用应力值460 MPa，满足静强度设计要求。

图4 齿轮静强度应力云图

3 机构啮合齿轮瞬态动力学分析

动力学分析是用来确定惯性和阻尼起重要作用时结构或构件动力学特性的技术，主要有模态分析、瞬态动力学分析、谐响应分析、谱分析[6]。本文作者基于ANSYS/LS-DYNA,对机构齿轮传动系统进行动力学分析,仿真出齿轮在运动过程中随时间变化的齿轮受力情况，同时计算出齿轮在啮合过程中任意位置齿轮啮合的接触应力、齿根应力分布情况。

仿真时，设置时间段从初始到0.05 s内轮齿连续瞬时的齿轮动态接触情况,最小步数设置为100，最大步数设置为2 000。本文作者分析的齿轮为多级齿轮，通过动力学分析计算，提取小齿轮与中齿轮啮合运动的应力云图，如图5所示；提取小齿轮和中齿轮应力时变曲线，如图6、图7所示；提取中齿轮与大齿轮齿轮啮合局部放大图，如图8所示；提取大齿轮应力时变曲线，如图9所示；提取齿轮副应力云图，如图10所示。

图5 小齿轮与中齿轮齿轮啮合局部放大

图6 小齿轮应力时变曲线

图7 中齿轮应力时变曲线

图9 大齿轮应力时变曲线

图10 齿轮副应力云图

通过对各齿轮的应力云图进行分析可知：在中齿轮与大齿轮啮合过程中出现最大值，最大应力值为242.65 MPa，位于中齿轮齿根部位。最大应力值小于渗铜粉末冶金FD0405的许用应力值460 MPa，满足结构强度设计要求。

查看齿轮啮合局部放大图，并对应力时变曲线进行分析，在齿轮运行过程中，应力主要集中在齿根和齿面接触这两个部位，而最大应力值位于齿轮的齿根处。从齿轮的应力时变曲线可知：在不啮合的时刻应力极低，进入啮合状态急速增大，在前齿即将脱离啮合、后齿啮入的过渡时刻达到最大值，论证了齿轮的失效形式主要是以轮齿的疲劳破坏作为主要诱导因素。

4 结论

对汽车四驱分动器换挡控制机构齿轮进行静力学和动力学仿真分析，结果表明汽车四驱分动器换挡控制机构中的齿轮具有足够的结构强度；论证了齿轮的失效形式主要是以轮齿的疲劳破坏作为主要诱导因素，为研究齿轮失效形式和提高齿轮寿命提供了一定的理论依据，同时为机构齿轮优化设计提供了参考。