第２３卷第４期
２００９年１２月
传
ＤＲＩＶＥ
动技术
ＳＹＳＴＥＭＴＥＣＨＮＩＱＵＥ
Ｖ０１．２３Ｎｏ．４
Ｄｅｃｅｍｂｅｒ２００９
文章编号：１００６—８２４４（２００９）０４—００２２－０１
燃料电池轿车变速器齿轮强度分析及疲劳寿命计算（二）
ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＣｏｎｔａｃｔＳｔｒｅｓｓａｎｄＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆＦａｔｉｇｕｅＬｉｆｅｏｆＧｅａｒＩｎＦｕｌｌ－ＣｅｌｌＶｅｈｉｃｌｅ
章文强
ＺｈａｎｇＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅ
盛
云
于莉吴光强
同济大学汽车学院，上海２０１８０４
ＷｅｎｑｉａｎｇＳｈｅｎｇＹｕｒｔＹｕＩｉＷｕＧｕａｎｇｑｉａｎｇ
ｃｏｌｌａｇｅ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ
［摘要］燃料电池轿车变速器齿轮由于其工况的特殊性，在齿轮材料、齿轮强度和疲劳寿命上都有很高的要求。论文建立了燃料电池轿车变速器齿轮的三维模型，然后应用有限元法，结合变速器实际载荷特性工况对齿轮的强度进行了仿真计算，最后根据强度计算结果，应用齿轮有限寿命设计理论和方法对齿轮的疲劳寿命进行了计算。［－Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ａｓ
ｈａｖｅ
ａ
ａ
ｉｔｓｓｐｅｃｉａｌｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｉｔｉｓｉｍｐｏｒｔａｎｔａｎｄａｌｓｏｎｅｃｅｓｓａｒｙｆｏｒｆｕｅｌ－ｃｅｌｌｖｅｈｉｃｌｅｇｅａｒｂｏｘ
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ｓｔｒｅｓｓ
ｉｓａｎａｌｙｚｅｄｉｎＦＥｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｔｈｅａｃｔｕａｌｌｏａｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ。ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｏｆｇｅａｒｉｓｃａｌ—
ｃｕｌａｔｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｇｕｉｄａｎｃｅｏｆｌｉｍｉｔｅｄｌｉｆｅｔｈｅｏｒｙ．
关键词：有限元法齿轮强度疲劳寿命栽荷谱
ｓｔｒｅｓｓ
有限寿命设计理论
ｌｏａｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＥｍｅｔｈｏｄ
ｃｏｎｔａｃｔ
ｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｌｉｍｉｔｅｄｌｉｆｅｔｈｅｏｒｙ
中图分类号：Ｕ４６３．２１２接Ｎｏ．３
文献标识码：Ｂ
从图１１－－－１３可以得到，齿轮啮合冲击处和应力集中区域出现数量很少的低寿命节点，考虑到这些节点对齿轮的整体寿命影响较小，后处理时可以不考虑轮齿中少数寿命较低的节点，所以齿轮最低循环寿命出现在节点４８９０８５，其中最小循环寿命为１．０１７４×１０７。与根据材料Ｓ－Ｎ曲线计算出来的理论寿命１．３×１０７相近（图１４）。
图１２
Ｆｉｇ．１２
主动齿轮主要寿命区
Ｄｒｉｖｉｎｇ
ｇｅａｒ
ａ（ＭＰａ）
ａｂ
２
ｍａｉｎｌｉｆｅｓｃｏｐｅ
１４８２ＭＰａ
仃．１＝
４１６．６７～ｍａ
图“齿轮材料的理论Ｓ－Ｎ曲线
图１３从动齿轮主要低寿命区
Ｆｉｇ．１３
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ｓｃｏｐｅ
Ｆｉｇ．１４
Ｇｅａｒｍａｔｅｒｉａｌｔｈｅｏｒｙ孓ＮＣｕｒｖｅ
（下转第３８页）
上海市科委混合动力项目（０６２５重２０３０）
一２２
万方数据
４７１０献文考参
Ｄａｖｉｄ
Ｒ．Ｓａｌｇａｄｏ等：行星齿轮传动自锁条件
ｏｆＰｏｗｅｒＬｏｓｓｅｓＤｕｅ
ｔＯ
ｏｆＦｏｒｍｕｌａｓＴｗｏ
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ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＡｎａｌｙｓｉｓｏｆ
Ｅｐｉｃｙｅｌｉｃ
Ｇｅａｒ
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ＴｏｏｔｈＦｒｉｃｔｉｏｎｉｎＧｅａｒｓ．”Ｔｒｉ—
Ｄｅｇｒｅｅｓ—ｏｆ－Ｆｒｅｅｄｏｍｂ０１．Ｔｒａｎｓ．，４９，ＰＰ．２６６－２７６．
ＡＳＭＥＪ．Ｍｅｃｈ．Ｄｅｓ．１２５（３），ＰＰ．６０２—６０８．［１７３
ｏｆ
１－ＤＯＦ
ｘｕ。Ｈ．，ａｎｄＫａｈｒａｍａｎ，Ａ．，２００５，“ＡＦｒｉｃｔｉｏｎａｌＥｆ矗一ｃｉｅｎｃｙ
［１４］ＤｅｌＣａｓｔｉＵｏ，Ｊ．Ｍ．，２００２，“Ｅｎｕｍｅｒａｔｉｏｎ
ＰｌａｎｅｔａｒｙＧｅａｒＴｒａｉｎｓＧｒａｐｈｓＢａｓｅｄ
ｏｎ
ＭｏｄｅｌｆｏｒＨｅｌｉｃａｌＧｅａｒｓ。”ＡＳＭＥＰｏｗｅｒＴｒａｎｓ—
ＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＣｏｎ－
ｍｉｓｓｉｏｎａｎｄＧｅａｒｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ＰａｐｅｒＮｏ．ＤＥＴＣ２００５－８５２４３，Ｌｏｎｇ
ｓｔｒａｉｎｔｓ，”ＡＳＭＥＪ．Ｍｅｃｈ．Ｄｅｓ．，１２４，ｐｐ．７２３－７３２．Ｂｅａｃｈ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２４－２８．
Ｃａｓｔｉｌｌｏ，Ｊ．Ｍ．，２００５，”Ｓｅ－
ＧｅａｒＴｒａｉｎｓＢａｓｅｄ
ｏｎ
［１５３
Ａｎｄｅｒｓｏｎ，Ｎ．Ｅ．，ａｎｄＬｏｅｗｅｎｔｈａｌ，Ｓ．Ｈ．，１９８０，“ＳｐｕｒＧｅａｒＳｙｓｔｅｍＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
ａｔ
［１８３Ｓａｌｇａｄｏ。Ｄ．Ｒ．，ａｎｄＤｅｌｌｅｃｔｉｏｎａｎｄＤｅｓｉｇｎｏｆＰｏｗｅｒＦｌｏｗ１２０一１３４．
ＰａｒｔａｎｄＦｕｌｌＬｏａｄ．”
Ｐｌａｎｅｔａｒｙ
ＴｅｃｈｎｉｃａｌＲｅｐｏｒｔ７９—４６．ＮＡＳＡＴｅｃｈｎｉｅａｌＰａｐｅｒ１６２２．
Ｍａｐｓ，”ＡＳＭＥ
Ｊ．Ｍｅｃｈ．Ｄｅｓ．，１２７，ｐｐ．
［１６］Ｄｉａｂ，Ｙ．，Ｖｉｌｌｅ，Ｆ．，ａｎｄ
Ｖｅｌｅｘ，Ｐ．，２００６，“Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ
（上接第１７页）［３３
ＥｆｆｅｃｔｉｖｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＧｅａｒｓｗｉｔｈｔｈｅＰｒｏｇｒａｍＬＶＲ（Ｓｔｉｆｆ－
Ｎ．Ｋｕｒｚ，Ｂ．Ｓｏｍｓｃｈｏｒ，ＺＦＦｒｉｅｄｒｉｃｈｓｈａｆｅｎＡＧＶＤＩＲｅ一
（上接第２２页）计算提供了一种参考方法。
×１０
喜龠篓孥有限黧拳ｌ慧黧篓蠹恐妻釜望霪薹寿命为１．７。同时根据该车型载荷谱计算得
出的齿轮循环次数为行一６．０００８Ｘ１０４次，计算得到齿轮对总损伤值为Ｄ；一０．００１６０８２，结合载荷谱即可以得到该齿轮的疲劳寿命。６
矽１
＾
删、
［１］冯荣坦，田竹友．在ＵＧ中如何实现齿轮副的三维造型
［Ｊ］．北京机械工业学院学报，２０００．
［２］沈宁福主编．新编金属材料手册［Ｍ］．北京ｔ科学出版社・
结论
［３３赵少汴等主编，抗疲劳设计［ｚ］．机械工业出版社，１９９７．
嗜。。篓奎篓誓篓篓镶曼裳笺竺苎冀曼：篓篓皇鎏套［４３。Ｌｙｉｎ。ｉ三：ｉ：；芒ｙｅｃｈｔｅｄｉ。ｆ。ａｃ。ｔ。。ｏｍｒｓ。ｏｎ。ｆ。ｔｈｎｅ。。ｙｔｏ。ｏｅ。ｔｈ．Ｐｒｏ∞ｏｔ。。ｓ。ｔ‰ｒｅｓｇｓ。ｆｏ。ｒ，
速器譬登使詈要求，同时结合有限元方法和齿轮抗
疲劳设计理论，通过三维建模，有限元分析和动力学仿真分析，解决了燃料电池变速器齿轮的强度分析和寿命计算问题，最后得到齿轮的接触应力和疲劳
（ＩｃＭＴ２００１），２００１，４１７—４２０．
：：：：二ｉ＝：Ｊ芝：三＝：…Ｍｅ…ｃｈａ”ｎｉ…ｃａｌ…Ｔｒａｎ。ｓｍｉｓｓ”ｉｏｎｓ
ｆａｔｉｇｕｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ
ｂｅｖｅｌｇｅａｒ，Ｋｅｙ２００６，９８７—９９０．
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
［５］Ｋｉｍ，Ｄｕｃｋ－Ｈｏｉ，Ｒａｎｄｏｍ
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｖ３２６—３２８
ＩＩ，
寿命，为燃料电池变速器齿轮强度分析和疲劳寿命
万方数据
第２３卷第４期
２００９年１２月
传
ＤＲＩＶＥ
动技术
ＳＹＳＴＥＭＴＥＣＨＮＩＱＵＥ
Ｖ０１．２３Ｎｏ．４
Ｄｅｃｅｍｂｅｒ２００９
文章编号：１００６—８２４４（２００９）０４—００２２－０１
燃料电池轿车变速器齿轮强度分析及疲劳寿命计算（二）
ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＣｏｎｔａｃｔＳｔｒｅｓｓａｎｄＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆＦａｔｉｇｕｅＬｉｆｅｏｆＧｅａｒＩｎＦｕｌｌ－ＣｅｌｌＶｅｈｉｃｌｅ
章文强
ＺｈａｎｇＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅ
盛
云
于莉吴光强
同济大学汽车学院，上海２０１８０４
ＷｅｎｑｉａｎｇＳｈｅｎｇＹｕｒｔＹｕＩｉＷｕＧｕａｎｇｑｉａｎｇ
ｃｏｌｌａｇｅ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ
［摘要］燃料电池轿车变速器齿轮由于其工况的特殊性，在齿轮材料、齿轮强度和疲劳寿命上都有很高的要求。论文建立了燃料电池轿车变速器齿轮的三维模型，然后应用有限元法，结合变速器实际载荷特性工况对齿轮的强度进行了仿真计算，最后根据强度计算结果，应用齿轮有限寿命设计理论和方法对齿轮的疲劳寿命进行了计算。［－Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ａｓ
ｈａｖｅ
ａ
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ｉｔｓｓｐｅｃｉａｌｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｉｔｉｓｉｍｐｏｒｔａｎｔａｎｄａｌｓｏｎｅｃｅｓｓａｒｙｆｏｒｆｕｅｌ－ｃｅｌｌｖｅｈｉｃｌｅｇｅａｒｂｏｘ
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ｈｉｇｈｄｅｓｉｇｎｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｉｎｍａｔｅｒｉａｌ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａＣＡＤｍｏｄｅｌｏｆｇｅａｒｉｓｃｒｅａｔｅｄ，ｔｈｅｎｉｔｓ
ｏｎ
ｃｏｎｔａｃｔ
ｓｔｒｅｓｓ
ｉｓａｎａｌｙｚｅｄｉｎＦＥｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｔｈｅａｃｔｕａｌｌｏａｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ。ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｏｆｇｅａｒｉｓｃａｌ—
ｃｕｌａｔｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｇｕｉｄａｎｃｅｏｆｌｉｍｉｔｅｄｌｉｆｅｔｈｅｏｒｙ．
关键词：有限元法齿轮强度疲劳寿命栽荷谱
ｓｔｒｅｓｓ
有限寿命设计理论
ｌｏａｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＥｍｅｔｈｏｄ
ｃｏｎｔａｃｔ
ｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｌｉｍｉｔｅｄｌｉｆｅｔｈｅｏｒｙ
中图分类号：Ｕ４６３．２１２接Ｎｏ．３
文献标识码：Ｂ
从图１１－－－１３可以得到，齿轮啮合冲击处和应力集中区域出现数量很少的低寿命节点，考虑到这些节点对齿轮的整体寿命影响较小，后处理时可以不考虑轮齿中少数寿命较低的节点，所以齿轮最低循环寿命出现在节点４８９０８５，其中最小循环寿命为１．０１７４×１０７。与根据材料Ｓ－Ｎ曲线计算出来的理论寿命１．３×１０７相近（图１４）。
图１２
Ｆｉｇ．１２
主动齿轮主要寿命区
Ｄｒｉｖｉｎｇ
ｇｅａｒ
ａ（ＭＰａ）
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２
ｍａｉｎｌｉｆｅｓｃｏｐｅ
１４８２ＭＰａ
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４１６．６７～ｍａ
图“齿轮材料的理论Ｓ－Ｎ曲线
图１３从动齿轮主要低寿命区
Ｆｉｇ．１３
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ｓｃｏｐｅ
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Ｇｅａｒｍａｔｅｒｉａｌｔｈｅｏｒｙ孓ＮＣｕｒｖｅ
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上海市科委混合动力项目（０６２５重２０３０）
一２２
万方数据
４７１０献文考参
Ｄａｖｉｄ
Ｒ．Ｓａｌｇａｄｏ等：行星齿轮传动自锁条件
ｏｆＰｏｗｅｒＬｏｓｓｅｓＤｕｅ
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ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＡｎａｌｙｓｉｓｏｆ
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Ｇｅａｒ
Ｔｒａｉｎｓ，”
ＴｏｏｔｈＦｒｉｃｔｉｏｎｉｎＧｅａｒｓ．”Ｔｒｉ—
Ｄｅｇｒｅｅｓ—ｏｆ－Ｆｒｅｅｄｏｍｂ０１．Ｔｒａｎｓ．，４９，ＰＰ．２６６－２７６．
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１－ＤＯＦ
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［１４］ＤｅｌＣａｓｔｉＵｏ，Ｊ．Ｍ．，２００２，“Ｅｎｕｍｅｒａｔｉｏｎ
ＰｌａｎｅｔａｒｙＧｅａｒＴｒａｉｎｓＧｒａｐｈｓＢａｓｅｄ
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ｍｉｓｓｉｏｎａｎｄＧｅａｒｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ＰａｐｅｒＮｏ．ＤＥＴＣ２００５－８５２４３，Ｌｏｎｇ
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Ｃａｓｔｉｌｌｏ，Ｊ．Ｍ．，２００５，”Ｓｅ－
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［１５３
Ａｎｄｅｒｓｏｎ，Ｎ．Ｅ．，ａｎｄＬｏｅｗｅｎｔｈａｌ，Ｓ．Ｈ．，１９８０，“ＳｐｕｒＧｅａｒＳｙｓｔｅｍＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
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［１８３Ｓａｌｇａｄｏ。Ｄ．Ｒ．，ａｎｄＤｅｌｌｅｃｔｉｏｎａｎｄＤｅｓｉｇｎｏｆＰｏｗｅｒＦｌｏｗ１２０一１３４．
ＰａｒｔａｎｄＦｕｌｌＬｏａｄ．”
Ｐｌａｎｅｔａｒｙ
ＴｅｃｈｎｉｃａｌＲｅｐｏｒｔ７９—４６．ＮＡＳＡＴｅｃｈｎｉｅａｌＰａｐｅｒ１６２２．
Ｍａｐｓ，”ＡＳＭＥ
Ｊ．Ｍｅｃｈ．Ｄｅｓ．，１２７，ｐｐ．
［１６］Ｄｉａｂ，Ｙ．，Ｖｉｌｌｅ，Ｆ．，ａｎｄ
Ｖｅｌｅｘ，Ｐ．，２００６，“Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ
（上接第１７页）［３３
ＥｆｆｅｃｔｉｖｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＧｅａｒｓｗｉｔｈｔｈｅＰｒｏｇｒａｍＬＶＲ（Ｓｔｉｆｆ－
Ｎ．Ｋｕｒｚ，Ｂ．Ｓｏｍｓｃｈｏｒ，ＺＦＦｒｉｅｄｒｉｃｈｓｈａｆｅｎＡＧＶＤＩＲｅ一
（上接第２２页）计算提供了一种参考方法。
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喜龠篓孥有限黧拳ｌ慧黧篓蠹恐妻釜望霪薹寿命为１．７。同时根据该车型载荷谱计算得
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矽１
＾
删、
［１］冯荣坦，田竹友．在ＵＧ中如何实现齿轮副的三维造型
［Ｊ］．北京机械工业学院学报，２０００．
［２］沈宁福主编．新编金属材料手册［Ｍ］．北京ｔ科学出版社・
结论
［３３赵少汴等主编，抗疲劳设计［ｚ］．机械工业出版社，１９９７．
嗜。。篓奎篓誓篓篓镶曼裳笺竺苎冀曼：篓篓皇鎏套［４３。Ｌｙｉｎ。ｉ三：ｉ：；芒ｙｅｃｈｔｅｄｉ。ｆ。ａｃ。ｔ。。ｏｍｒｓ。ｏｎ。ｆ。ｔｈｎｅ。。ｙｔｏ。ｏｅ。ｔｈ．Ｐｒｏ∞ｏｔ。。ｓ。ｔ‰ｒｅｓｇｓ。ｆｏ。ｒ，
速器譬登使詈要求，同时结合有限元方法和齿轮抗
疲劳设计理论，通过三维建模，有限元分析和动力学仿真分析，解决了燃料电池变速器齿轮的强度分析和寿命计算问题，最后得到齿轮的接触应力和疲劳
（ＩｃＭＴ２００１），２００１，４１７—４２０．
：：：：二ｉ＝：Ｊ芝：三＝：…Ｍｅ…ｃｈａ”ｎｉ…ｃａｌ…Ｔｒａｎ。ｓｍｉｓｓ”ｉｏｎｓ
ｆａｔｉｇｕｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ
ｂｅｖｅｌｇｅａｒ，Ｋｅｙ２００６，９８７—９９０．
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
［５］Ｋｉｍ，Ｄｕｃｋ－Ｈｏｉ，Ｒａｎｄｏｍ
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｖ３２６—３２８
ＩＩ，
寿命，为燃料电池变速器齿轮强度分析和疲劳寿命
万方数据