基于SolidWorksSimulation对齿轮油泵齿轮轴的疲劳分析 （二）

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1.2.2 有限元分析过程

（1）定义材料属性

利用Simulation插件定义材料属性，齿轮油泵齿轮轴的材料为40Cr，弹性模量E为210GPa，泊松比μ为0.28，张力强度为723.83MPa，屈服强度为620.42MPa。

（2）添加约束

单击“夹具顾问”下拉列表中的“固定几何体”进行选择，根据齿轮轴的结构及其在齿轮油泵中的装配关系确定边界条件与载荷，将齿轮轴轴体与泵体孔元件配合的表面，施加边界条件为Y、Z约束，由于齿轮泵壳体内表面接触紧密，因此将齿轮轴齿轮的两个端面分别施加X的约束。在轮齿的啮合线上施加Z、Y约束边界条件。

（3）加载条件

考虑齿轮轴的工作过程，在一个齿轮轴轮齿的最外端啮合线上施加约束；齿轮轴轴体能够在齿轮泵的孔元件内旋转，并忽略轴的摩擦力，将输人转矩的动力施加在键槽的一侧，施加垂直与键槽受力矩形面的面载荷约束。

（4）网格划分

创建网格，其有限元计算模型如图3所示。

图3 齿轮轴有限元模型

图4 40Cr材料的S－N曲线

（5）运行分析

运行结果如图5（应力图解）和图6所示（合位移图解）。从图5中可以看出，齿轮轴的等效应力小于材料的屈服强度620.42MPa，有一定的安全系数，故模型是安全的。

图5 应力图解

图6 位移图解

2 疲劳分析

疲劳寿命是指疲劳失效以前所经历的应力或应变循环次数。疲劳破坏是指在循环载荷作用下，在局部的最高应力处，最弱及应力最大的晶粒上形成微裂纹，然后发展成宏观裂纹，裂纹继续扩展，最终导致疲劳断裂。疲劳分析的方法主要有三种：名义应力法、局部应力应变法和损伤容限设计法。名义应力法以名义应力为设计参数，从材料的S－N曲线出发，考虑各种因素影响，得出零件的S－N曲线，并根据零件的S－N曲线进行疲劳设计。局部应力应变法是在缺口应变分析和低周疲劳基础上发展起来的一种疲劳寿命估算方法。

Simulation插件对于单个齿轮轴疲劳分析是基于名义应力法的，分析时，首先根据载荷谱确定零件危险部位的应力谱；而后采用材料的S－N曲线，经过计算结构危险部位的应力集中系数，结合材料的疲劳极限图，通过插值将材料的S－N曲线转化为零件的S－N曲线；最后再由载荷谱确定的应力谱，根据Miner线性损伤累积规则计算零件的寿命。