齿轮箱箱体疲劳寿命研究的现状及发展趋势

李　勇, 胡文生, 付晓莉, 杨树峰, 孙千涛, 靳瑜哲

(中原工学院, 郑州 450007)



齿轮箱箱体疲劳寿命研究的现状及发展趋势

李勇, 胡文生, 付晓莉, 杨树峰, 孙千涛, 靳瑜哲

(中原工学院, 郑州 450007)

摘要：对齿轮箱箱体疲劳寿命的研究进行综述，概括总结了齿轮箱箱体疲劳寿命研究的关键技术。从计算、试验、仿真等方面，介绍了齿轮箱箱体载荷谱的获取、疲劳试验和寿命分析方法的研究现状。对比各种载荷加载的优缺点,分析实测试验和虚拟试验,归纳了齿轮箱箱体疲劳寿命研究的热点和方向。

关键词：齿轮箱箱体； 载荷谱； 疲劳试验； 疲劳寿命

齿轮箱是汽车、工程机械及通用机械产品中传递运动的功能部件，用于改变机械的转速和转矩。齿轮箱是轴、轴承、齿轮、箱体等零部件的综合体[1]。其箱体具有支撑齿轮、轴承和轴正常运转的功能，在工作中承受高频和高冲击载荷，受刚度激励、啮合冲击激励和误差激励引起的内部动态激励，还可能受不可预测的外部加速度冲击激励，增大了疲劳失效的概率。箱体轴承座的失效直接影响齿轮箱工作状态及齿轮的啮合情况，会导致轴承和齿轮失效[2]。从工程实际运行状况来看，齿轮箱的失效占整个系统失效的50%以上[3]。箱体的微小变形都可能影响传动系统的性能。传动系统性能的可靠性决定了整机系统的可靠性。因此，对齿轮箱箱体疲劳失效的研究非常重要，其研究重点在于对齿轮箱箱体疲劳寿命的分析。

齿轮箱常在变转速、变载荷、变工况下工作。这种随机变幅载荷[4]会造成齿轮箱的动态变化[5]。目前对齿轮箱箱体疲劳寿命的研究大都集中在三方面:载荷谱获取、疲劳试验和寿命分析方法。

1载荷谱获取的研究现状

国内外对齿轮箱箱体载荷的研究主要集中于风力发电齿轮箱[6]、船用齿轮箱[7]、汽车变速箱[8]、减速器[9]、旋耕机传动齿轮箱[10]等。本文对载荷类型及载荷谱编制方法进行归纳总结。计算和试验中常见的载荷类型有稳态载荷谱、随机载荷谱和程序载荷谱。

1.1稳态载荷谱

稳态载荷是理想情况下的载荷。通常将齿轮箱的最大转矩和相匹配原动机的转速作为齿轮箱的稳态工况载荷。胡高华等按箱体最大载荷作用的原理对齿轮箱箱体进行了载荷计算[11]。吴炳奇等根据轴承作用于箱体的垂直反力和水平反力，对减速器箱体进行载荷计算，编制了载荷谱[9]。在实际工作中，齿轮箱载荷随时间的变化并不是线性函数，如汽车在路况、车速不稳定时变速器承受的动态载荷[12]，此时的稳态载荷方法不适用。

1.2随机载荷谱

随机载荷谱获取的方法通常是利用传感器记录齿轮箱压力和位移的变化曲线，结合实际工作载荷对齿轮箱进行寿命分析。杨平等在汽车试验场用加速度传感器采集换挡箱体振动响应信号，对载荷进行预处理和重复性检验，并且编制了换挡箱体振动载荷谱[13]。马呈祥等以机车在大秦线上一个往返行程的线路实测数据为输入载荷，利用Romax软件进行载荷谱循环工况下的系统分析，得到了驱动装置不同工况的载荷谱[14]。由随机载荷测得的结果接近实际载荷，但仪器设备昂贵，测得的数据比较少，不能代表齿轮箱箱体的全部载荷—加速度历程。

1.3程序载荷谱

雨流计数法是典型且有效的双参数计数法，能够方便地应用于计算机程序。肖生发等编制了二维程序载荷谱，对汽车后桥进行疲劳寿命预测[15]。赵文峻选择整车强化坏路试验来采集轮心处加速度信号，获取相应的载荷时间历程，最后得到了程序载荷谱[16]。胥良利用远程在线测试系统对实际运行的风机进行在线监测，测得实际载荷—时间历程，经过雨流计数法转换，得到了兆瓦级风电齿轮箱的程序载荷谱[17]。陈千圣等对齿轮箱箱体测试得出了传动系统扭矩谱，并将雨流计数法所得随机载荷谱累积频次曲线按疲劳损伤等效原则变为了程序载荷谱[18]。程序载荷谱的编制有助于提高齿轮箱箱体寿命预测结果的可靠度，但它只是某种工况下的载荷，目前的程序载荷谱并不能完全满足齿轮箱箱体寿命预测的要求。

2疲劳试验的研究现状

齿轮箱箱体试验贯穿于齿轮箱的开发、研究和生产等阶段，是研究齿轮箱的必要手段[19]。齿轮箱箱体试验包括实测试验[20]和虚拟试验[21]。

2.1实测试验

实测试验能够真实反映齿轮箱的实际工况，特别适用于周期性循环工况，但是测量箱体寿命的费用高、耗时长，且采集的载荷信息较多，不适用于研发阶段。李惠彬等对二级齿轮减速器箱体所受的动态激励力进行了测试和分析，采用在轴承外圈上安装套圈并粘贴应变片的方法，准确地测试减速器实际工作的动载荷，为后期的减速器箱体疲劳载荷试验提供了新的思路[22]。有学者对汽车变速器箱体疲劳研究时，采取试验场内强化路作用于轮心处加速度信号，进行变速器箱体的耐久性疲劳试验。曹宏利用传动效率试验平台得出了滤波减速器的寿命数据[23]。

2.2虚拟试验

虚拟试验即建立虚拟样机模型，通过仿真获取载荷谱，预估箱体的疲劳强度和寿命。它具有缩短产品研发周期和节约成本的优势，在一定程度上可以代替实测试验，是进行疲劳寿命分析的趋势。王炎等建立了齿轮箱箱体虚拟样机模型，通过仿真获得名义应力谱，并利用MSC/Fatigue分析得到了箱体寿命数据[24]。王天仁建立了整车耐久性虚拟试验模型，对汽车驱动桥的疲劳寿命进行了预测[25]。陈婷等采集了在实车强化坏路试验下整车轮心垂直方向的振动加速度信号，并将信号加载到四柱虚拟试验台进行仿真，将得到的应力分布和载荷时间历程输入所建立箱体的有限元模型，最终获得了箱体的疲劳寿命[8]。

3寿命预测方法的研究现状

现用的疲劳寿命预测方法主要有名义应力法[26]、局部应力应变法[27]、场强法[28]、损伤容限计算法[29]和概率疲劳计算法[30]等。综合考虑箱体应力与强度分散性的影响，提高可靠性设计，应采用名义应力法和概率疲劳计算法。

3.1名义应力法

随着计算机技术的快速发展，数值仿真技术在疲劳应力模拟和疲劳载荷模拟中的应用已经成为疲劳研究的一个热点。胡兴龙等利用有限元法计算静载荷下箱体的应力应变，应用Miner线性累积疲劳损伤理论和雨流循环计数法获取载荷谱，通过nCode软件计算了大功率风电增速器箱体的疲劳寿命[31]。霍福祥等综合使用载荷谱测试技术和有限元方法，计算变速器壳体在不同档位的应力分布，并应用多轴疲劳理论预测变速器壳体的损伤分布，从而预测了箱体寿命[32]。

3.2概率疲劳计算法

在实际工程中，计算疲劳寿命的常规参数是符合一定分布特征的随机量，引入概率统计理论，是为了得到接近于实际的疲劳寿命评价。目前，关于齿轮箱箱体概率疲劳寿命的研究较少，且主要集中于通过轴、轴承强度和可靠性研究，为箱体疲劳寿命预测的研究提供参考。孙奎洲等考虑到减速器齿轮轴几何形状产生的概率分布状态，绘制了轴的疲劳极限图[33]。杜静等通过雨流循环计数法计算疲劳载荷谱，修正了S-N曲线，并运用Miner线性累积损伤理论计算了风电增速器主轴的疲劳寿命[34]。Rao S S等为提高汽车变速系统的可靠性，考虑到轴和齿轮产生的弯曲疲劳和表面磨损，研究了参数变化对整体变速系统可靠性的影响[35]。

4齿轮箱箱体疲劳寿命研究的发展趋势

(1)宏观力学与微观力学相结合，进一步提高疲劳寿命预测的准确性。箱体疲劳是个复杂的过程，受多种因素的影响。只有深刻认识疲劳破坏机理，将宏观和微观研究结合起来，才能更精确地预测齿轮箱箱体的疲劳寿命。

(2)深入研究不同工况下齿轮箱箱体所受载荷的构成和性质，构建用于箱体疲劳寿命研究的载荷谱。加强对齿轮箱箱体载荷的研究，针对齿轮箱的用途、性能、工况等，统计载荷历程，可整合出一套符合齿轮箱箱体寿命分析的载荷谱。

(3)加强对齿轮箱箱体疲劳寿命虚拟试验平台的研究和开发。在虚拟试验技术研究方面，通过仿真软件构建原动机、齿轮箱、工作机等参数化模型，可以实现齿轮箱箱体的虚拟试验。

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(责任编辑：王长通)

收稿日期：2016-04-25

基金项目：河南省高等学校重点科研项目(16A410006)；郑州市科技计划项目(20150481)

作者简介：李勇(1962-)，男，河南固始人，教授，博士，主要研究方向为现代设计理论与方法。

文章编号：1671-6906(2016)03-0026-04

中图分类号：TH114

文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.03.006

Research Status and Development Trend of Fatigue Life for Gear Box

LI Yong, HU Wen-sheng, FU Xiao-li, YANG Shu-feng, SUN Qian-tao, JIN Yu-zhe

(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

Abstract :From the aspects of calculation, experiment and simulation, the paper summarizes gear box load spectrum acquisition, fatigue test and lifetime analysis method research present situation. The advantages and disadvantages of various loads are compared and analyzed. The test and virtual test are analyzed. The fatigue life of the gear box body is studied.

Key words：gear box； load spectrum； fatigue test； fatigue life