基于數(shù)值模擬分析汽車發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪應(yīng)力及模具磨損

中圖分類號：U464.13 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）06-0158-03

BasedonNumerical Simulationof the Stress of Automotive Engine GearsandtheAnalysisof MoldWear WangHonglei，Li Xiaozhan

（Shangqiu Instituteof Technology，School of Mechanical Engineering，Shangqiu 476ooo，China）

【Abstract】Through numerical simulation methods，thisarticle systematically analyzes the stress distribution and mold wear characteristics of automotive engine gears during the forging process.Based on the finite element analysis technology，theequivalent stress（up to566MPa）and strain concentrationareas（such as thetooth root）during the closeddie forging processof gears were simulated toreveal thecorelation between stressconcentrationand forging defects.Combining the mold designprinciples（precision，durability，and maintainability），optimize thematerial selection（high-speed stee，hard ally），structuraldesign（uniform force distribution），and manufacturing processes （electrical dischargemachining，wirecutting）.Theresearch significantly improves theservice lifeof themoldby reducingthe forging speedandadjusting the mold parameters tocontrol the mold wear within O.Ooo30lmm.This achievement provides theoreticalbasisand technical supportfor theeficient manufacturingof enginegearsand the servicelife extension of molds.

【Key words】 engine gear；stress simulation analysis；strain simulation analysis；mold wea

1發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪模具的設(shè)計(jì)原則

1.1 精確性

齒輪作為發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一，其設(shè)計(jì)和制造的品質(zhì)直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壽命，齒輪在發(fā)動(dòng)機(jī)中扮演著傳遞力量、密封氣缸和散熱等多重角色，因此，它的形狀、尺寸和材料的選擇都必須經(jīng)過嚴(yán)格的計(jì)算和測試，而這一切的基礎(chǔ)，就是齒輪模具的設(shè)計(jì)，所以保證模具的精確性至關(guān)重要[1-2]

1.2 耐用性

作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)必不可少的核心部件，齒輪模具在高溫、高壓的工作環(huán)境下承擔(dān)著十分重要的作用，要求齒輪模具能夠在這種條件良好的環(huán)境下穩(wěn)定且高效率地運(yùn)行，就必須擁有良好的耐磨、耐腐蝕和不形變的能力。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)也是齒輪模具設(shè)計(jì)的難題，需要設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)際工作中對齒輪模具的工作條件和受力情況，對齒輪模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算和優(yōu)化，采取合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保齒輪模具在進(jìn)行工作時(shí)結(jié)構(gòu)受力均勻，避免發(fā)生應(yīng)力集中變形等情況。

1.3 可維護(hù)性

模具是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的重要工藝工裝，模具設(shè)計(jì)、制造及維修都非常重要3，特別是在急劇發(fā)展的市場背景下，模具維修及更換是否有效直接決定著企業(yè)的生產(chǎn)效率及生產(chǎn)成本，在對模具進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要考慮模具設(shè)計(jì)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、互換性，以此來確保模具的維修及更換效率。

除模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和互換性外，模具的拆卸、安裝操作也應(yīng)盡量簡單化。簡單化的拆卸、安裝操作能降低操作者勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省操作時(shí)間，提升維修效率。為了達(dá)到這一目的，可在模具設(shè)計(jì)中采用快捷連接、定位結(jié)構(gòu)等，使模具的拆卸、安裝更加輕便、快捷。

2發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素

2.1 材料選擇

齒輪模具是工業(yè)制造的必備部件，其本身的品質(zhì)將直接影響產(chǎn)品的品質(zhì)和效率，想要確保齒輪模具優(yōu)秀的品質(zhì)需要選擇合適的原材料，好的齒輪模具需要具有良好的強(qiáng)度、硬度、耐磨性以及散熱性等特性來抵抗高溫高壓高速環(huán)境4。

在實(shí)際應(yīng)用中，常用齒輪模具材料主要有高速鋼、硬質(zhì)合金及陶瓷等。高速鋼的強(qiáng)度與硬度較高，常用來制造一般負(fù)荷、中速的齒輪模具。硬質(zhì)合金硬度、耐磨性均較高，常用來制造高負(fù)荷、高速的齒輪模具。陶瓷材料具有極其高硬度的耐磨性，常用來制造極高要求的齒輪模具。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)齒輪模具結(jié)構(gòu)，是將模具受力、熱平衡、模具制造精度等關(guān)鍵因素有機(jī)融合后的工程問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要合理兼顧各項(xiàng)因素，是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的性能與壽命的關(guān)鍵。

受力情況是齒輪模具設(shè)計(jì)的重要方面之一，模具本身在工作時(shí)會受到多方向的壓力與沖擊力量，因而要求設(shè)計(jì)師一定要使模具本身的結(jié)構(gòu)牢固，能夠承受力的作用。例如，增大模具本身的壁厚、增大模具的支撐結(jié)構(gòu)及合理分布模具的受力點(diǎn)等都可以強(qiáng)化模具的受力能力。

2.3 制造工藝

制造工藝對齒輪模具品質(zhì)以及使用壽命的高低有著直接的影響，齒輪模具在制造過程中需要認(rèn)真選擇適用的制造工藝，以此才能保證最終齒輪模具的性能穩(wěn)定。齒輪模具制造常見的工藝有電火花、線切割以及磨削工藝等。齒輪模具的制造工藝各有優(yōu)勢與不足，需要結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)的具體需求、齒輪模具材料和結(jié)構(gòu)等綜合決定。

此外，在確定齒輪模具的制造方法過程中還要綜合生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本等因素。如大批次生產(chǎn)時(shí)采用磨削工藝就未必合適，由于磨削時(shí)間長可能會影響生產(chǎn)效率，可以考慮采用電火花加工或線切割等生產(chǎn)率高的工藝方式。

3模擬分析在齒輪模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)力分析

所謂應(yīng)力集中的現(xiàn)象就是指模具內(nèi)部某個(gè)局部范圍的應(yīng)力過于集中，容易造成模具在此部位開裂、斷裂等失效。應(yīng)力集中的分析是模具在鍛造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪過程中能否成型、是否能保證性能及提高生產(chǎn)效率的前提條件。齒輪鍛造在材料加熱高溫高壓下，內(nèi)部應(yīng)力分布很不均勻。在閉式模鍛加工中，齒輪鍛壞在鍛模中的型腔內(nèi)受力也不均勻，從而造成應(yīng)力集中。根據(jù)有限元分析模型，不均勻的應(yīng)力分布易造成裂紋、折疊，從而降低齒輪的機(jī)械性能與壽命。

仿真可以正確找出應(yīng)力集中的區(qū)域，可提前在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行相關(guān)材料加厚或是結(jié)構(gòu)修改，以減弱應(yīng)力集中的情況。如圖1所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在齒側(cè)，且最大等效應(yīng)力為 566MPa ，依據(jù)米賽斯屈服準(zhǔn)則能滿足生產(chǎn)條件。

3.2 應(yīng)變分析

齒輪受鍛件不均勻力作用發(fā)生復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變情況。在熱鍛過程中，材料溫度升高，材料的屈服極限降低，應(yīng)變增加，材料在多向應(yīng)力下的屈服極限可表達(dá)為一橢球面，鍛造過程的應(yīng)變分析考慮該理論模型，使材料變形過程中不至于斷裂和過度變形。

實(shí)際齒輪鍛造中對變形情況進(jìn)行應(yīng)變分析，一般通過模擬獲取鍛造過程齒輪各部的應(yīng)變分布，進(jìn)而調(diào)整鍛造工藝參數(shù)，如鍛造速度、鍛造溫度及模具形狀。模擬如圖2所示，通過模擬發(fā)現(xiàn)齒輪鍛造過程中齒根部存在應(yīng)變集中，有可能導(dǎo)致鍛造后齒根出裂紋，可以通過調(diào)整鍛造工藝參數(shù)，如降低鍛造速度或?qū)δ＞哌M(jìn)行改良，降低應(yīng)變集中，從而提高齒輪的壽命。

應(yīng)變分析還包括在材料微觀結(jié)構(gòu)上的變化，因?yàn)殄懺鞎鸩牧蟽?nèi)部晶粒變形，從而改變材料的力學(xué)特性，鍛造之后的齒輪材料晶粒組織細(xì)化提高了材料強(qiáng)度和韌性，由此從應(yīng)變分析上可對鍛件的鍛造工藝參數(shù)進(jìn)行改善，使之產(chǎn)生預(yù)期的微觀組織和性質(zhì)。

3.3提高模具壽命

由于受力、熱應(yīng)力等因素的作用，模具在工作過程中也會產(chǎn)生應(yīng)力集中、變形等現(xiàn)象，直接影響模具的精度、穩(wěn)定性及使用壽命。如何降低模具工作過程中的應(yīng)力水平和變形程度成為模具性能和使用壽命能否更進(jìn)一步提升的關(guān)鍵所在，合理優(yōu)化模具的制造工藝具有十分重要的意義。

改進(jìn)工藝也是降低模具應(yīng)力及變形的一項(xiàng)重要因素。通過工藝參數(shù)的調(diào)整延長了模具壽命，如圖3所示，模具最大磨損量為 0.0000301mm ，達(dá)到了模具壽命的要求。在模具加工過程中，一定要控制工藝參數(shù)，如熱處理的溫度、冷卻速度、加工余量等，以降低模具內(nèi)殘余應(yīng)力及變形。采用先進(jìn)的鍛壓工藝技術(shù)等方法可提高模具加工精度以及模具表面品質(zhì)，進(jìn)而降低應(yīng)力集中程度，降低變形量。

4結(jié)論

文章基于有限元計(jì)算，對發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪鍛造過程中的應(yīng)力與應(yīng)變分布、模具磨損失效機(jī)理進(jìn)行了相關(guān)研究，得出： ① 有限元模擬的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)齒側(cè)位置最大應(yīng)力集中以及齒根應(yīng)變超限的區(qū)域，有利于設(shè)計(jì)模具的薄弱部位，如優(yōu)化應(yīng)力均勻分布部位、鍛造速度工藝的優(yōu)化； ② 使用高速鋼與硬質(zhì)合金進(jìn)行模具加工，并電火花成型，增加了模具的耐磨耗、使用壽命，模具磨損能力控制在幾微米，達(dá)到了優(yōu)化工藝結(jié)果； ③ 利用了模塊化設(shè)計(jì)與快卡快卸結(jié)構(gòu)，減少模具修模難度，控制修模成本。此工藝?yán)碚撗芯靠梢詾樘岣啐X輪精準(zhǔn)鍛造以及優(yōu)化生產(chǎn)新工藝技術(shù)的改進(jìn)提供一定的研究資料。本次工作能夠?yàn)闈M足一定條件下模具的耐損可靠性設(shè)計(jì)提供了理論的基礎(chǔ)資料，為進(jìn)一步滿足各種條件下的加工精度提供一定的研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1]王江平.齒輪冷擠壓模具失效形式分析及設(shè)計(jì)方法研究[D].重慶：重慶理工大學(xué)，2023.

[2]許偉偉，許丁，梁坤，等.銑刨齒鋼體冷擠壓成形工藝與模具設(shè)計(jì)分析[J].熱加工工藝，2023，52（17）：63-67.

[3]楊晶，王媛，馬輝.齒輪多工步擠壓工藝及模具技術(shù)研究[J].中國機(jī)械，2023（1）：37-40，45.

[4]谷文金，孫立臣.凸輪軸正時(shí)齒輪成形工藝分析與壓制模具設(shè)計(jì)[J].汽車制造業(yè)，2020（13）：27-28.

（編輯楊凱麟）

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