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(完整版)减速器齿轮的疲劳强度分析

河南科技学院新科学院
2017届本科毕业论文（设计）

减速器齿轮的疲劳强度分析

学生姓名: 董 志 文
所在系别： 机械工程系
所学专业:机械设计制造及其自动化
导师姓名： 宁 欣
完成时间： 2017年5月10日

摘 要
随着汽车工业与交通运输的发展，汽车更新换代的速度不断加快.对于报废汽车而言,一方面是社会与环境的沉重负担,另一方面又是极具经济价值的“资源”。报废汽车不仅可以进行材料回收和零部件再制造，部分零部件甚至可以直接重复利用。但目前还缺乏对服役零件进行再制造的评判依据，其中零件剩余寿命是衡量零件再制造的主要依据之一。
论文先从疲劳寿命预测基本方法和流程出发，介绍了目前惯用的四种疲劳寿命计算方法，即名义应力法、局部应力应变法、应力场强法和裂纹扩展寿命法。并对其进行了对比分析，最终选择适合本文的研究方法名义应力法。接着文中重点介绍了减速器齿轮疲劳寿命预测过程,包括减速器齿轮三维模型的建立，有限元模型的建立，其工作载荷谱的提取及齿轮轴材料S-N曲线的得出。最后在专业疲劳分析软件MSC.Fatigue中计算出该齿轮轴的疲劳寿命。最后引用了一个算例验证了该方法的准确性和可行性。

关键词:齿轮轴；疲劳寿命;三维模型

ABSTRACT
With the development of automobile industry and transportation， the speed of automobile replacement is accelerating。 For scrap cars， on the one hand, it is a heavy burden of society and environment, on the other hand， it is a resource with great economic value”. Scrap cars can not only carry out material recycling and parts remanufacturing， and some parts can even be reused directly. However， there is still a lack of evaluation criteria for remanufacturing of service parts， in which spare life of parts is one of the main criteria to measure parts remanufacturing。
The paper starts from the basic fatigue life prediction method and process, introduces the calculating method of four kinds of fatigue life is currently used, i。e. the nominal stress method， local stress—strain, stress field and crack propagation life method. And make a comparative analysis of them, and finally select the research method which is suitable for this paper， the nominal stress method. Then this paper focuses on the prediction of fatigue life of gear deceleration process， including the establishment of three-dimensional model of gear reducer， finite element model， the extraction and the load spectrum of gear shaft material S—N curve。 Finally, the fatigue life of the gear shaft is calculated in the professional fatigue analysis software MSC。Fatigue。 Finally, a numerical example is given to verify the accuracy and feasibility of the proposed method.
Keywords: gear shaft; fatigue life； 3D model

目 录

1引言 6
2相关理论 6
2.1疲劳的基本概念 6
2.2影响疲劳寿命的因素 7
2.2.1尺寸效应的影响 7
2.2.2表面加工状况的影响 8
2。2。4载荷特性的影响 8
2.2.5装配与连接效应的影响 9
2.3汽车齿轮轴概念 9
3减速器齿轮的应力分析及疲劳寿命预测 10
3。1疲劳寿命预测方法及流程 10
3.2基于有限元分析的疲劳寿命分析方法 11
3.3减速器齿轮有限元分析 13
3。3。1有限元软件的选用 13
3.3.2减速器齿轮三维模型的建立 15
3。3.3减速器齿轮有限元模型的建立 15
3。3.4减速器齿轮应力计算结果与分析 16
3.4减速器齿轮材料的疲劳特性 17
3.4。1材料 S-N 曲线的定义 17
3.4.2减速器齿轮材料 S—N 曲线的建立 18
3.5载荷谱的处理 23
3。5.1减速器载荷谱的获取 23
3.5。2减速器齿轮动力学仿真分析 24
3.5。3减速器齿轮动力学仿真结果分析 26
3.6减速器齿轮的疲劳寿命计算 28
3.7验证算例 28
3.7.1构件疲劳寿命仿真过程分析 29
3.7.2构件疲劳寿命理论计算及与仿真对比分析 31
4总结 31
参考文献 33
致谢 35

1引言
汽车工业和交通运输业的高速发展加速了汽车更新换代的步伐。现阶段,国内的汽车保有量逾5000万辆,每一年，全国范围内报废汽车逾200万.再来看西方发达国家,日、法、德三个国家每年报废的汽车数量分别达500万辆、150万辆、150万辆之多。报废汽车上的很多零部件都因长时间工作存在不同程度的磨损,整车的使用性能也因此大幅下降，若仍强行继续使用，将引发环境、交通安全等各种各样的社会问题.
废旧汽车零部件循环再利用主要分为两种形式，即一种是对零部件进行再制造加工重复利用，另一种就是进行材料直接回收,再经过熔炼等金属处理工艺获得新材料。但是考虑到的对零部件直接进行材料回收无论是从经济性还是环境性角度出发都不是最为理想的处理方式，零部件材料经熔炼后形成新的材料再到新的产品需要很大的附加值,其主要包括熔炼再生产的劳动成本、生产过程中所需能源消耗成本和生产设备工具损耗成本等。要想使汽车零部件循环再利用价值最大化，必须研究出一种界定是进行直接进行材料回收还是再制造加工重复利用的依据。
2 相关理论
2。1 疲劳的基本概念
国际标准化组织（ISO）所推荐的“金属疲劳试验总则”对疲劳做了明确定义:受反复应力、应变所致，金属材料极有可能因此出现性质上的改变，通常，这种改变将造成材料断裂，亦或是破坏材料。该定义同样适用于非金属质地的材料.据此可见，所谓材料的疲劳破坏指的是材料受比其强度极限、屈服极限更低的交变应力（应变）反复作用所致而萌生、扩展裂纹，继而出现突然断裂的失效形式。
整个疲劳破坏的过程如下：应力不断循环作用于结构，局部最高应力、承受应力最大的缺陷薄弱的位置将出现微裂纹,接下来，受交变应力所致而不断发展，形成宏观裂纹，再通过持续深入扩展，最后致使材料突然断裂。其微观过程纷繁复杂，就宏观而言，通常可将其划分成裂纹萌生、裂纹扩展、最终断裂这3大阶段.
业内人士将裂纹萌生的位置称作裂纹源，通常，疲劳裂纹源都集中在局部应力最高、基体强度最弱的位置。弯曲、扭转类构件应力最高的位置是构件的表层，所以,诸如表面缺陷、表面加工刀痕等表面层就成为此类构件的裂纹源多发处.
一般而言,金属材料以多晶体为主，局部应力很高的情况下，其晶粒之间极有可能出现滑移、晶界开裂的问题；所以，很多时候，金属夹杂物、滑移造成的开裂及晶界开裂都会导致金属材料萌生裂纹。那么，究竟裂纹要达到多长的长度才能称得上是裂纹萌生呢？对此，有专家给出了“工程尺寸裂纹”这一概念，对疲劳裂纹初始长度做了明确规定,凡是初始长度达到0.076毫米的裂纹都可称为裂纹萌生,这就为使用普通读数显微镜来观察裂纹提供了方便.
疲劳裂纹扩展一般继裂纹萌生以后才会出现，通常可将其划分成如下两大阶段：第一阶段:裂纹顺着与负载方向大概45度方向持续扩展;第二阶段:顺着与负载方90度的方向扩展。
疲劳破坏发展到最后阶段就会出现疲劳最终断裂，此时，裂纹持续不断地加深，面积越来越小,在应力趋于材料强度极限的情况下,材料就会出现瞬时断裂的现象。
2。2影响疲劳寿命的因素
2。2.1尺寸效应的影响
应力集中对零部件疲劳性能造成的影响是相对零部件局部尺寸变化而言的,也就是零部件的局部尺寸特性。这里所说的尺寸效应对疲劳性能的影响是基于整个机械零部件的外部尺寸而言的。据疲劳强度受尺寸效应影响的特征可知，在整个零部件外观尺寸加大的情况下，零部件材料的疲劳性将随之降低；尺寸效应是因为如下原因所致:(1）零部件外观尺寸变大，构件表面的缺陷将随之增多，由此加大疲劳裂纹萌生的机率,其疲劳强度下降;(2）零部件外观尺寸变大的情况下,构件一旦受力发生扭转、弯曲，其截面应力就会随之梯度下降,令表层承受高应力部位的体积也随之变大，继而加大萌生疲劳裂纹的机率,使构件的疲劳强度随之下降。
2.2.2表面加工状况的影响
可将应力集中的现象有机融合起来全面解读表面加工状况给材料疲劳性能造成的影响。正是因为工加工艺过程各不相同,零部件表面的粗糙度也就各不相同。很明显,那些粗糙度大的位置将会发生比较大的尺寸变化,就更有可能出现应力集中,由此引发显著的应力集中现象；相反亦然。除此之外，零部件加工时难免会出现操作失误或不当的情况，零部件的表面将因此出现各种加工缺陷，由此引发应力集中。据此可见，表面加工状况给材料疲劳性能造成的影响主要是应力集中现象间接造成的.
2。2。4载荷特性的影响
所谓超载指的是零件承受超过材料疲劳极限的载荷；而次载则是指比疲劳极限低的应力。在高周疲劳、应力加大的情况下，将发生如下问题：
极易出现多条裂纹；
疲劳条带相隔的距离会变大；
最终瞬断区的面积不断变大.
当金属材料运行于疲劳极限应力以下时，在运转到一定次数之后，其疲劳极限将有效提升,人们将这种次载荷强化命名为次载锻炼；这极有可能是因应力应变循环出现的硬化和局部应力集中松驰所致。实际工作中，每种零件的载负频率都不一样，特定范围内，载荷频率能使材料的疲劳强度得到有效提升，这极有可能是因每周次塑性应变累积损伤量的差异所致。
研究可知，载荷谱幅值将给疲劳寿命带来显著影响，当工作周期完全一致时，所受载荷的幅值的数值稍有变化将导致疲劳寿命出现显著变化;相反的，当载荷幅值完全一致时，载荷周期在一定范围内发生波动，根本不会给最终疲劳寿命带来很大的影响。
2.2.5装配与连接效应的影响
零部件的装配、连接一定要做到准确无误,这将严重影响到其自身的疲劳寿命。如:在装配轴类零件时，必需严格依照安装要求来操作，通过这种做法来有效规避安装过程中出现的误差,导致轴心出现偏移，造成无端的弯矩，受弯矩、扭矩联合作用所致，零部件的疲劳破坏会变得更快。
安装带螺纹的零部件时,不要认为装得越紧越好，事实上，扭紧安装要适量，太紧将致使零部件的疲劳强度大幅下降.
2.3汽车齿轮轴概念
齿轮轴指支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。一般为金属圆杆状，各段可以有不同的直径。机器中作回转运动的零件就装在轴上。
齿轮轴主要承受的是交变、冲击这两种载荷,因此而承受巨大的剪切应力与接触应力.其轴部极易出现裂纹,而齿部则极易出现磨损。这就要求其心部的强度、韧性都达到一定要求，在疲劳极限、抵御多次冲击方面都要有不错的表现，其表面的硬度、耐磨性也都要达到一定的要求。
3减速器齿轮的应力分析及疲劳寿命预测
3。1疲劳寿命预测方法及流程
疲劳寿命的预测纷繁复杂，其基本步骤与具体流程参照下图3-1。其输入部分是通过结构属性、基本数据、疲劳载荷这三个部分一起组建而成的。各部分又分别包含着很多独立的问题，这些问题还能进行再分；受其设计结构、所用材料、所承受的负载及其所处环境的差异所致，结构的疲劳寿命预测的复杂程度也各不相同。

图3-1 疲劳寿命预测方法流程
目前疲劳寿命计算主要有以下几种方法:
一是名义应力法:其作为一种传统的安全疲劳寿命估算法，也是最早期的一种抗疲设计法；该法指出，同种材料制作而成的构件在应力集中系数KT、载荷谱都一致的情况下,其使用寿命也是相同的。该法基于材料、零件的S—N曲线，参照试件、结构疲劳危险部分的应力集中系数与名义应力,再把疲劳损伤累积理论有机融合为一体来对疲劳强度进行校核，准确算出构件的疲劳寿命.
二是局部应力应变法：该法是通过如下流程来判定疲劳寿命的:第一步，先明确局部危险区的应变值；第二步，充分利用应变－寿命曲线来取得Nf；第三步，通过计算得出损伤、疲劳寿命.该法具备如下优势：能准确测量应变值，应变作为与低周疲劳有关的极好参数,只要取得应变集中位置的应力应变，再基本测量应变疲劳试验数据即可对零件裂纹形成寿命进行合理估算，无需进行大量疲劳实验,对于随机载荷的寿命估算尤其适用，很容易与计数法有机融合在一起,并将那些纷繁复杂的计算交给计算机来处理。
三是应力场强法:该法将研究构件缺口位置的应力分布当作着手点，给出了一个辩证处理缺口的局部、总体情况的参数,使用这个参数来体现缺口件受载的严重程度，且将局部应力应变场强当作疲劳裂纹形成的一种有效控制参数。裂纹扩展分析是建立在断裂力学这一理论的基础之上的，其做出一个假定：裂纹是预先早就存在的,接下来再通过裂力学展开分析、进行试验，继而合理判定此类裂纹是不是定期检查时所查出的、之前就已经扩展到的临界尺寸，该法主要用来计算那些裂纹扩展速度不快且断裂韧性高的材料。
3.2基于有限元分析的疲劳寿命分析方法
传统有限元疲劳寿命分析模型极具通用性，通常要取得材料特性、外加负载、局部应力（应变）分布这三项数据，再把既有的疲劳损伤模型有机融合为一体来计算疲劳寿命。使用该法时，必需基于零件实际工况之下的载荷以及几何结构计算过程中的应力应变变化史来算出动态应力应变响应。在算出应力应变响应之后，再与材料参数、疲劳损伤模型有机融合起来进行计算,继而求得构件的疲劳寿命。其具体流程参照图示3-2：

图3—2 有限元疲劳分析流程
本论文探讨的是减速器上所使用的齿轮轴,具体的有限元疲劳寿命分析基本思路如下：基于产品的二维图，利用Pro/Engineer件来构建该齿轮的实体模型。基于有限元基本理论，使用Hypermesh软件来划分其网格，为其构建相应的有限元模型；接下来再使用该软件的输出模块把有限元模型导至MSC.Patran中，处理好之后再使用MSC.Patran来分析其承受的应力，将减速器的工况及其制作材料的疲劳特性参数有机融合起来对该齿轮轴的疲劳寿命进行预估，具体流程参照下图3-3：

图3—3 有限元法齿轮轴疲劳寿命预测流程
3.3减速器齿轮有限元分析
3。3.1有限元软件的选用
笔者在进行分析的过程中,完成了有限元的仿真工作，并根据仿真结果进行计算,确定疲劳寿命,为了保障计算结果的准确性，必须对软件的精度、效率以及连接不同软件的接口的可靠性，然后利用HYPERMESH完成预处理，在处理的过程中还需使用到MSC。Patran提供辅助,同时利用MSC.Nastran展开有限元计算;最后在MSC。Fatigue环境下展开疲劳分析。接下来,笔者将对此次研究选择的有限元软件予以说明。
有限元网格划分Hypermesh软件选用Hypermesh[50]，该软件在网格划分和优化方面的性能十分突出，对输入模型的兼容性十分广泛，能够接受如等格式的输入,且兼容不同求解器格式，能够完美兼容主流求解器,如
等.
和同类产品相比，Hypermesh软件的优势主要体现在这些方面：划分性能强大、操作简单、网格密度和形状可以调整，并且单元质量有保障。
2）前后处理MSC.Patran软件的选用MSC。Patran[51］，该系统是高度集成的，它在结构方面表现出开放性的特点,并且拥有不同的功能，在同一个界面里面能够进行工程设计和分析、结果评估等操作，提供了非常全面的CAE集成环境。和其他的前后处理器相比，MSC。Patran的优势主要体现在这些方面：智能处理模型、无需人工操作建模、提供可视化技术处理结果.另外,该工具在兼容性方面的表现十分突出。
3）专业疲劳寿命预估软件MSC。Fatigue的选用MSC。Fatigue［52］，该软件以有限元分析结果为输入，具有强大的偏劳分析功能，能够较为准确地预测各种构件的疲劳寿命，MSC.Fatigue能够接收各种有限元软件输出的模型和结果，以及从后者标准库里面提取各方面的材料信息.当然，有些信息是来自用户的，该软件也能够直接接收。
MSC.Fatigue的主要用途即为构件疲劳寿命的分析，其分析对象主要有裂纹、应力寿命、焊接寿命、振动疲劳、点焊疲劳等，另外它还能够被用来预测构件使用寿命、测量虚拟应变片、采集相关的数据信息等。
3。3.2减速器齿轮三维模型的建立
按照产品图纸中的信息，利用Pro/Engineer软件创建减速器齿轮的立体模型，详见下图3—4：

图3—4 某型减速器齿轮三维模型
对上图进行分析可知，模型中并未包含所有的细节特征，这样简化处理的好处是方便后去的前后处理以及求解。在省略部分细节特征时,要避免影响到结构的力学性能，通常情况下能够简化的部分有次要区域的特征，以及计算后确定应力场分布范围内，应力较低的构件。
3。3.3减速器齿轮有限元模型的建立
完成上一节的工作后，将立体模型提供给Hypermesh软件，利用软件展开网格划分处理。笔者在本课题研究中,选择4节点四面体自由划分模型，得到5491个节点以及17913个单元。
接下来，在软件里面设置模型的材料参数以及物理特性。减速器齿轮材料选择，下表详细介绍了该材料的部分力学参数：
表3—1 减速器齿轮材料及相关特性参数

考虑到施加在齿轮上的大部分负载都是发动机的扭矩和动齿轮的啮合提供的,在加载扭矩的过程中，在齿轮轴和离合器交界位置选择某一节点,在此基础上创建多点约束。
来自齿轮的啮合力基本上都由节线部位承受，在尚未化划分之前,首先创建一条节线的硬线，接着对沿节线的节点给予力的作用。此时得到的有限元模型详见下图3-5：

图3—5 某型减速器齿轮有限元模型
3.3.4减速器齿轮应力计算结果与分析
通过Hypermesh里面集成的输出模块,把模型提供给MSC。Patran，经过后者的处理后，通过MSC.Nastran对轴的应力展开分析，最后利用MSC.Patran完成后处理工作,经过有限元计算，得到的应力云图详见下图3—6：

图3-6 某型减速器齿轮应力云图
对上图进行分析可知,齿轮的应力值不超过521MPa，不超过材料的屈服标准835MPa，充分证明齿轮轴的刚度和强度是满足相关要求的，使用寿命较长。
3。4减速器齿轮材料的疲劳特性
3.4.1材料 S-N 曲线的定义
疲劳寿命指的是构件直到无法继续使用后所作用的循环载荷的次数或时间,通常用N表示。外加应力S和N之间存在直接的关联，我们可以通过S—N曲线描述这种关联，按照目前的管理,曲线中的疲劳寿命为其中值,因此它也被叫做中值S-N曲线，其发明者为德国学者A。Wholer,因此部分学者将其叫做Wholer曲线。N和材料力学性能及其所承受的应力有关，其和材料的强度极限之间存在负相关关系,对构件样本进行相关的实验。和应力之间同样呈负相关关系。要绘制出S—N曲线,必须采用科学的方法，
一般情况下,S—N曲线的纵坐标代表的是应力的上限值，即σmax,或应力幅σa。曲线里面的疲劳寿命往往都选择对数指标,应力可能使用线性或对数坐标,但不管选择哪一种坐标，最终的曲线都属于S-N曲线。
3。4。2减速器齿轮材料 S-N 曲线的建立
本齿轮是用20Cr Mn Ti合金结构钢制作的，这种材料在机械工业领域有着广泛的用途，其在工艺性能和萃取性方面表现十分突出，对其进行渗碳和淬火处理后，材料外部硬度和内部韧性大幅提高，并且对低温环境下的冲击具有很强的抗性，正火后切削性突出.对材料进行加热处理后，热敏感性将大幅降低，渗碳后,在超过800℃的温度环境下能够进行淬火处理.淬火后基本上形状不会改变。
凭借着这些优势，这种材料被当做渗碳钢、调质钢的主要材料，并被广泛地用在汽车等工业产品中。
根据相关的材料手册可知该材料在不同存活率下的疲劳寿命，详见下表3-2:
表3-2 20Cr Mn Ti 合金结构钢在指定存活率下的疲劳寿命

MSC。Fatigue通过双对数坐标图里面存在交点的两条直线描述材料的疲劳性能，要得到疲劳曲线,还必须确定某些特征点以及特征参数,即直线1在纵轴上的截距、两条直线交点在横轴上的投影点的坐标值，以及两条直线的斜率.
假定S-N曲线在双对数坐标是直线段,在通过直线对数据点进行拟合处理后，可以通过最小二乘法获取最恰当的拟合直线，其方程为：
（3—1）
其中：
(3—2)
（3—3）
式中：
n——数据点个数或应力水平数，其值为4；
-—第i个数据点最大应力，其值分别是，;
——第i个数据点的疲劳寿命，其值分别是8。5408×106，3.0796×106,1.0301×106，0.5064×106。
将已知的数据代入到公式中，确定：

利用(3-1)进行计算，得到在当存活率等于50%的情况下，曲线在纵坐标上的截距，也就是在值为零的情况下，将数据代入到中，确定。则有，即SRI为.
由，对公式(3-1）进行变形处理，
（3—4）
根据式（3-4）可知,第一条直线的斜率是,代入数据进行计算,确定

通常情况下，两条直线对应的交点的疲劳寿命,这一点应力的值可以通过式(3—4)计算出来：

则直线1跟直线2的交点为（）,即考虑到在存活率等于50％情况下的疲劳极限是，寿命是,也就是在NP为的情况下

此时可以确定直线2的起、终点分别是和
此时能够计算出直线2的斜率

此时的值全部确定，据此能够绘制出在存活率等于50％的情况下，的双对数曲线。
前文仅仅得到了在存活率等于50%的情况下，双对数曲线方程，通过该方程计算疲劳寿命，得到的结果的准确度仅为50%，而减速器对汽车的安全稳定运行有着重要的意义和作用,必须能够可靠地运行。因此,我们要通过其他的方法，实现更准确的预测，就来说就是确定在其他存活率情况下的疲劳寿命，以及对应的曲线的离散度SE.考虑到各种应力你情况下的都满足参数是的正态分布规律，因此通过标准正态分布表能够得到各种存活率下分布函数φ（Z）对应的标准正态分布的下分位点Z，这里面：
/SE (3—5）
查表得：

由式（3—5）可知，
(3—6）
上式中，i的取值是；
的取值则是.
据式（3-1）和式（3-2）进行计算，可以确定在时a,b的值,详见下表3—3：
表3-3 不同存活率下a,b对应的计算值

在本课题的研究中，依次取，那么根据式（3-1)进行计算,能够确定各个存活率下的值。
在的情况下，能够计算出

同理分别求出及430.3时和各个存活率对应的logN的值,详见下表3-4:
表3—4 不同应力对数在不同存活率下所对应的寿命对数

由式（3-6）可以得出标准差如表3-5所示：
表3—5 标准差计算值

应力水平下对数寿命分布的标准差存在差异，因此我们通过平均标准差反映出不同对数寿命数据，即曲线的离散程度，该标准差为：

将已经确定的参数提供给所含有的模块，从而得到齿轮轴材料的的曲线，详见下图3—7：

图3—7 20Cr Mn Ti 的的曲线
3。5载荷谱的处理
3。5。1减速器载荷谱的获取
在分析载荷的特性时，采用概率统计方法，详细来说就是通过图形、表格、 矩阵等，呈现出载荷各个方面的特性，得到载荷谱.当车辆前行或后退时，随机荷载施加在减速器上，载荷谱的准确性在很大程度上决定了疲劳寿命预测的准确性。
通常情况下，人们通过在零部件的外部上粘贴应变花，从而得到实际载荷-时间历程.如果粘贴部位的形状有所改变，就会导致应变片形状的变化，出现拉伸应变或压缩应变现象，应变花搭建而成的电桥会提供不平衡信号，然后利用记录机将信号记录下来，得到的就是载荷-时间历程。目前,其他国家的减速器厂商进行了一系列的试验，确定了不同汽车以及减速器的载荷谱，这些都形成了其核心的数据库,用于减速器的设计.国内学者在探讨载荷谱时，基本上都在关注统计计数法、试验场强化系数等，大部分学者都在研究汽车传动系等构件。
在计算机软硬件不断发展的过程中，越来越多的力学和机构设计等领域的学者基于多体系统动力学理论，提出了准确度很高的仿真技术。笔者创在本课题的研究中，创建多体动力学仿真模型来获取齿轮轴的载荷时间历程。
3。5。2减速器齿轮动力学仿真分析
本文采用仿真法来获取减速器的载荷谱.首先在三维造型软件Pro/Engineer中建立减速器的动力学模型,如图3-8所示，然后在MSC。ADAMS中进行动力学仿真.能够实现和数据转换的接口有两种，即和。在进行本课题研究的过程中，考虑到模块的数据转换更为方便,并且无需关闭应用环境，就能够按照运动关系将装配的总成定义成机构系统，因此笔者选择这一模块来完成系统的动力学仿真。

图3-8 减速器动力学模型
由于减速器减速器齿轮的左端是通过离合器、发动机关联在一起的，结合轴传输的功率以及转速，能够确定经离合器传输给轴的力偶矩。减速器的工作原理告诉我们，当减速器处于某档位时，只有一个档位齿轮和轴相连，其他齿轮都是游离的,限于文章篇幅，本文只分析减速器齿轮在一档工作时的动力学仿真分析。
在建立减速器齿轮虚拟样机时，结合减速器的传动关系，对减速器齿轮和从动齿轮施加转动副约束，对两齿轮对间施加轮副约束。剩下的参数的设置，和虚拟样机模型详见下表3—6和图3—9：
表3—6 虚拟样机设置相关参数

图3-9 减速器齿轮啮合虚拟样机
3。5.3减速器齿轮动力学仿真结果分析
得到虚拟样机模型后,开展运动仿真分析,相关参数为：仿真时间0.5s、仿真步数100步，确定在时间推移过程中，齿轮轴和从动齿轮啮合力的载荷谱曲线，详见下图3-10：

（Ⅰ) 减速器齿轮与从动齿轮啮合圆周力变化曲线

(Ⅱ) 减速器齿轮与从动齿轮啮合径向力变化曲线

(Ⅲ) 减速器齿轮与从动齿轮啮合轴向力变化曲线
图3-10 减速器减速器齿轮动力学仿真分析结果
对上图进行分析可知,减速器齿轮和从动轮啮合的圆周力、 径向力、轴向力依次是，误差值分别为4。4％，3.7%,3。7%，与理论值相当的接近.
3。6减速器齿轮的疲劳寿命计算
结合材料的疲劳性能曲线，把时间历程载荷谱数据以及局部应力分布提供给MSC。Fatigue,完成疲劳寿命仿真分析。在MSC.Fatigue中计算得到减速器齿轮最危险点的疲劳寿命为49.2×108次。
3.7验证算例
疲劳寿命预测操作方法,现假定某构件的S—N曲线为N2S=25.110，S-N曲线如图3-11所示，承受的典型应力谱如表3-7所示，现采用疲劳仿真前一段其寿命并与理论值进行对比分析。

图3—11 构件S—N曲线
表3—7 构件设计载荷谱

3。7。1构件疲劳寿命仿真过程分析
首先根据该构件的设计载荷谱创建所需载荷谱块，所得载荷谱块如图3-12所示。

图3-12 构件载荷谱块的时间历程
再次定义该构件的S—N曲线，在这里S—N曲线定义需要9个参数，在MSC。Fatigue中把疲劳特性曲线分为三段来描述，第一段定义在（0，103）,第二段一般取（103,106)，第三段定义在(106，+∞），因此在本题中先求出N分别在103,106时所对应的S值分别为3535。534Mpa，111.803Mpa。这里将S—N曲线用一段直线来描述，所以b1=b2=-0。5，曲线是在对称载荷下试验得到的,所以R=—1。最终S—N曲线定义对话框如图3—13所示.

图3—13 构件材料 S-N 曲线定义对话框
最后设置疲劳系数修正和计算精度，最终计算出该构件的疲劳损伤为0。23933，疲劳寿命为4。2Repeats，即4.2年，其结果见图3—14所示。

图3-14 构件疲劳寿命分析结果
3。7.2构件疲劳寿命理论计算及与仿真对比分析
由N2S=25.110计算可得,在S分别对应P，0。8P，0。6P，0.4P时,N对应的值见表3—8所示。
表3—8 构件在载荷谱块下的寿命值

的比值，即该构件在载荷块谱下的损伤值见表3-9所示。
表3—9 构件在载荷块谱下的损伤计算值

采用Miner法则计算累积疲劳损伤，可得：

由此可计算出该构件的疲劳寿命

与MSC.Fatigue计算结果4。2年相比误差很小，这说明疲劳仿真有着很好的可行性和准确性。

4总结
在我国工业不断进步、国民生活质量持续改善的过程中，机电产品升级周期不断缩短，经济发展对资源提出了更高的要求.要充分满足这一要求，我们必须走（减量化）、（再利用）、（再循环）和(再制造）的经济发展道路，大力发展再制造工程。为了能够了解构件的再制造利用价值，首先必须确定其剩余寿命，然后是考虑再制造技术是否可行、经济效益是否可观等。

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致谢
本论文是在导师的谆谆教诲和指导下完成的,从选题、构思到定稿无不渗透着导师的心血和汗水；导师渊博的知识和严谨的学风使我受益终身，在此表示深深的敬意和感谢。
这次写论文的经历也会使我终身受益，我感受到，做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程。没有认真学习和钻研，自己就不可能有研究的能力，就不可能有自己的研究，就不会有所收获和突破。希望这个经历,在今后的学习和生活中能够继续激励我前进。
另外,还要特别感谢我的家人,他们时刻关心我,给我提供了学习的机会，时时刻刻为我鼓劲、为我加油，进而促使我不断成长和进步.同时，也要感谢寝室的室友以及所有关心我的朋友，感谢他们陪伴我走过了很多美好的时光，在我遇到困难时他们关心我、帮助我。在完成毕业论文的过程中，很多朋友都给了我无私的帮助和支持，在此表示由衷的谢意!
最后，因本人水平有限，论文肯定还有不少不足之处,恳请各位老师批评指正，我希望可以有机会继续去完善，我将不断努力继续充实自己.