汽車減速器外殼凸緣零件損傷因子與應力分析研究

中圖分類號：U463.218 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）06-0120-03

ResearchonDamage Factorsand StressAnalysisofFlangePartsofAutomobileReducer！

Liu Lili，Wang Jingjing （Shangqiu Instituteof Technology，School of Mechanical Engineering，Shangqiu 476ooo，China）

【Abstract】This article aims at the problem that the flange parts of theautomotive reducer housing are prone to failureundercomplexloads.Combinedwiththedamagefactortheoryand stressanalysismethod，thefiniteelement numerical simulation technologyisadoptedto conduct asystematic studyon its damage mechanism and stress distribution.Byestablishing thedamage factormodelandthe stressanalysis model，the stressconcentrationareasand damageaccumulation lawsof the parts under diferent working conditionsare simulated.Theresultsshow thattherootof theprotruding edgeisthekeydamage area，withthedamage factorreachingup to2.57，approachingthefatigue limitof the material.Undertheactionofforming load，thestresspeak at theconvex arcontheoutsideof theconnection joint reaches53oMPa，whichissignificantlyhigherthantheyield strengthof thematerial.Theresearchadopts high-strength materials to optimize the flange structure design andadjusts the geometric parameters to reduce stress concentration.The ffectiveessofnumericalsimulationtechnologyinpredictingthefailureriskofpartsandoptimizingdesignisverified， providing theoretical supportandengineering practiceguidanceforimprovingthereliabilityofautomotivetransmission systems.

【Key words】 flange parts；damage factor；stress analysis；numerical simulation

0 引言

汽車工業的迅猛發展使汽車零部件的技術要求日益提高，其中關鍵部件一減速器外殼的凸緣零件的可靠性問題和安全性問題是目前主要技術目標。由于該零件經常在復雜載荷與應力作用下工作，極易發生損傷，從而影響汽車的性能與壽命。國際汽車工程師學會SAE的研究表明約 30% 的汽車故障由傳動系統造成，其中不少原因與減速器有關，因此，對減速器外殼凸緣零件的損傷因子和應力開展相關研究對提高汽車傳動系統的穩定性和可靠性具有重要的現實意義。本文重點研究了汽車減速器外殼凸緣零件生產過程中損傷因子和應力之間的對應關系以及應力對零件品質的影響。通過數值模擬技術預測零件在不同工況下的損傷機理，分析應力對零件整體性能結構的影響，利用有限元分析模型模擬零件在受重復載荷作用下疲勞損傷過程，觀察損傷因子在載荷發生變化時累積的過程，對不同材料、參數進行結果比較，為汽車減速器外殼凸緣零件設計提供參考。

1數值模擬基礎理論

1.1損傷因子理論基礎

汽車減速器殼體凸臺件疲勞的可靠性是整個傳動系統可靠性的重要保證。損傷因子理論原理可以對零部件在多場載荷作用下的損傷程度進行定量化描述。基于Lemaitre和Chaboche提出的損傷演化方程，損傷因子 D 是時間 Φ_t 與應力 σ 的函數， D=D（σ，t） 。在有限元中引入損傷變量，可以更為精確地預測零件在循環加載情況下的疲勞壽命，通過有限元分析得到汽車減速器殼體凸臺件在不同工況下的應力分布情況，計算得到損傷因子，并進行零件壽命預測。在實際驗證中發現，可以通過改變材料微觀組織結構，例如晶粒大小和偏析程度，來降低損傷因子，提高零件使用壽命。

1.2 應力分析原理

應力分析原理基于對零件制造成形過程中承受載荷應力的正確認知，其中包括對材料在塑性范圍內的響應特征及在高溫高壓條件下的成形機理性預測，根據有限元模擬技術對零件成形過程開展應力狀態模擬，在此基礎上對零件應力集中點位進行預測，形成應力分布評估。針對某型號汽車減速器殼體凸緣件進行應力分析的過程中，可基于Deform軟件完成相關成形模擬工作，對邊界條件、材料性能等方面采取合理配置，確保模擬結果真實性。

2汽車減速器外殼突緣零件設計

2.1零件結構與材料選擇

汽車減速器外殼凸緣零件結構的合理設計和材料的選擇是零件性能、耐久性的重要保證。減速器外殼凸緣零件在傳遞高扭矩、受沖擊載荷的復雜應力狀態下，對材料的要求較高，如采用高強度鋼或鋁合金，將提供強度剛度，減少零件的質量，這對減少油耗及提高汽車行駛效率是有益的[-2。在減速器外殼凸緣零件的設計過程中，使用數值模擬方法對減速器零件使用不同種類的材料作損傷因子的比較分析，預測零件在循環載荷作用下的使用壽命，建立零件在極限狀態的有限元分析模型，分析零件在極限使用狀態時的應力、變形分析數據，優化設計，保證零件在實際使用過程的可靠性3。汽車減速器外殼凸緣零件在沖壓、鍛造等成形載荷情況下，研究分析成形過程中所受變形載荷，用應力分析手段預測并控制零件在制造、成形過程中的裂紋、變形、開裂等問題，預測零件在成形載荷下可能發生裂紋等問題，可以在設計初期盡量避免此類問題的產生。同時，應用損傷因子理論和應力分析為汽車減速器外殼凸緣零件結構合理設計提供科學依據，確保了結構在嚴酷工況條件下的穩定性和安全性。

2.2設計參數與性能要求

汽車減速器殼體凸緣零件的設計涉及選材、確定參數等，對零件的性能、壽命具有十分重要的影響。考慮到零件承受大扭矩且受沖擊載荷影響，應選用強度較高的鋁合金材料，屈服強度必須達350MPa以上，確保零件在極端工況下不產生塑性變形[4-5]。根據結構尺寸設計、載荷和性能要求來選取參數，性能設計分為多種，材料、零件、表面、表面保護材料均要求實現一定性能，有機械、疲勞性能要求，表面性能也有一定需求，比如在表面處理采用陽極化處理，提高表面的抗腐蝕性能，保證零件的使用壽命較長，壽命按疲勞試驗應大于106次，滿足長期使用。

3損傷因子的數值模擬分析

3.1損傷因子模型建立

設定一個典型的載荷循環，模擬零件啟動、工作和制動過程的應力分布情況，并運用材料的力學特性、疲勞理論建立損傷因子模型，來預測零件在循環載荷下損傷的累積情況，也可以應用Miner法來計算損傷因子，Miner認為損傷就是載荷循環次數和每周期損傷的總和。引入塑性變形理論細化模型，預測材料在高應力狀態下的行為。在損傷因子模型中將考慮材料的各向異性、溫度影響、制造缺陷影響等，建立模型結構，通過試驗結果進行對比，對模型進行校核，以實現更好的預測精度。

3.2損傷因子模擬過程與結果

結合汽車減速器外殼突緣零件，利用有限元數值模擬分析方法驗證了分析結果的合理性。在有限元分析模型創建完成后，對零件在相應工況的載荷和約束條件下進行了模擬分析，得出在實際工況下該零件的應力分布與位移分布情況。由圖1可知，汽車減速器外殼零件在受到特定工況載荷時，在凸緣處出現了較集中的應力分布，其附近損傷因子的數值明顯高于其他區域的數值，模擬驗證所得凸緣法蘭處損傷因子數值最大為2.57，接近于材料的疲勞極限，說明在設計時凸緣處零件需選取較高強度材料以優化其使用可靠性。同時用較高強度鋼制作突緣可降低突緣處的損傷因子，提升減速器外殼零件的使用壽命。

4應力的數值模擬分析

4.1 應力模型建立

汽車減速器外殼凸緣零件應力模型是零件應力設計和分析的基礎，而建立一個可靠的應力模型，應該包含較精確的數值模擬計算模型，基于模型，才能準確預測其承受的實際工作狀況。本文采取有限元方法建立應力模型，在選取對應的單元及材料性質、邊界條件后，可模擬出零件不同工作狀況下的應力及變形情況。而對于一個典型的汽車減速器外殼凸緣零件而言，在模型中需要施加相當于其實際工作載荷的力，其目的是模擬該汽車減速器零件受極限載荷應力時的響應，在分析中不僅包含理論計算，也有試驗數據及前期研究的驗證。

4.2應力模擬過程與結果

利用合理有效、可靠的有限元模擬分析手段，建立產品三維模型，準確、合理地確定材料、邊界以及加壓條件等，模擬產品成形時應力分布變形情況。圖2模擬結果表明，當外部壓力（應力）作用在零部件上時，其最高應力集中點主要集中在零部件和減速器外殼之間連接口外側凸圓弧處（P1所在區域最大值為 342MPa 、P2處所在區域最大值為292MPa） ，最大值為 530MPa 。該結果表明，在產品設計中，應對這部分的結構材料作重點關注，以確保它的結構強度，避免或延緩疲勞破壞。

5結論

本文建立了汽車減速器殼體凸緣零件有限元模型，對殼體凸緣零件應力分布及損傷因子進行了數值分析。分析結果表明： ① 凸緣根部由于凸緣幾何特點及加載特點成為最大應力點區域，損傷因子為2.57，很接近材料的疲勞強度，應采用高強鋼或鋁合金材料保證零件的疲勞性能； ② 成形力加載后，連接口外側凸圓弧處最大應力為 530MPa ，明顯超過材料的屈服強度（ 350MPa， ，說明連接處可采用結構設計（如圓弧過渡等）及材料選材來降低連接口外側凸圓弧部位的應力集中； ③ 有限元法對于零部件的失效分析較為準確和可靠，可以在設計初期發現缺陷，提高零部件的使用壽命。

參考文獻

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[3]劉建華，谷劉磊，常世超.一種突緣叉鍛造模具飛邊新結構[C]//河南省汽車工程學會.第十八屆河南省汽車工程科技學術研討會論文集，2021：166-168.

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[5]陶劍鋒.機車突緣叉模鍛工藝研究[D].大連：大連交通大學，2020.

（編輯楊凱麟）

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