基于ANSYS客車驅動橋齒輪副的應力分析

中圖分類號：U463.218 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639(2025)06-0114-03

Stress AnalysisofBusDrive AxleGear Pairs Basedon ANSYs

ShengPaipai，LiuYifan，WangSen

(Shangqiu Institute of Technology，School of Mechanical Engineering，Shangqiu 476Ooo，China）

【Abstract】Basedon the design requirements of thebus driveaxle，this article elaborates on the current technical statusanddevelopmenttrendof thedriveaxle，anduses the finite element analysis tolANSYSWorkbench to conduct mechanicalanalysisonthegear pairs inthedrive axle，mainlyanalyzingthe stressclouddiagrams of thehighandlow speed gear pairs underdiferent working conditions.The analysis results show thatthe maximum contactstress value of the high-speedgear pairis169.46MPaandthatof thelow-speed gearpairis 600.69MPa.Referring totherequirements ofthedriveaxledesigncode，itisless thantheyieldlimitofthematerial.Then，basedontherequirementsofthedrive axledesigncode，verifythat the designandmaterialsof the driveaxlearereasonable toensurethereliableuse of the drive axle.

【Key words】 ANSYS；drive axle；gear pair；stress analysis

0 引言

中型客車專為城市與鄉村之間的交通運輸而設計。它擁有寬敞舒適的內部空間，可容納眾多乘客，同時保證了乘坐的舒適度。車輛配備了先進的驅動系統和懸掛裝置，為乘客提供平穩、安全的行車體驗。客車還注重節能環保，采用高效低耗的動力系統和環保材料，為創造綠色出行貢獻力量。驅動橋是汽車中最重要的系統之一，用于動力傳輸和分配。近年來，許多汽車制造商和供應商都做出了巨大努力來提高車輛傳動系統的性能。

1 ANSYS在齒輪應力分析中的應用

在現代工程設計中，準確預測和分析齒輪副在不同工況下的應力分布對于確保驅動橋的可靠性和耐久性至關重要2。ANSYS軟件作為一款強大的有限元分析工具，已被廣泛應用于齒輪應力分析領域。通過ANSYS，工程師能夠構建精確的三維模型，模擬齒輪副在實際工作中的受力情況，從而識別潛在的應力集中區域。例如，在對客車驅動橋低速齒輪副進行應力分析時，ANSYS能夠提供詳細的應力分布圖，揭示齒輪在承受扭矩和傳遞動力時的應力變化趨勢。在一項針對特定客車驅動橋低速齒輪副的研究中，通過ANSYS模擬發現，在齒輪嚙合區域存在顯著的應力集中現象，這與實際故障案例中齒輪斷裂的位置高度吻合。這不僅驗證了ANSYS模型的準確性，也強調了在設計階段進行應力分析的重要性。

2 驅動橋齒輪副設計基礎

2.1齒輪副的結構與工作原理

現代客車驅動橋結構主要為低速齒輪副，其結構及工作原理直接影響著整個傳動系統的動力效率和運轉可靠性。一對齒輪作為齒輪副主要由主齒輪與從動齒輪構成，通過齒面間的嚙合傳力3。基于ANSYS的力學應力分析研究則需要了解其低速齒輪副結構，包括低速齒輪副的齒數、齒形、壓力角和模數等參數，從而決定齒輪副的承載能力及傳動比。常見的客車驅動橋低速齒輪副也多為漸開線齒形，以利于低速驅動橋在行駛中的不同速度狀況下都能擁有良好的嚙合特性。

齒輪副嚙合傳遞運動是齒輪副基于齒輪嚙合原理實施的，客車驅動橋上低速齒輪副由于傳遞較大扭矩及工作條件復雜，需要充分考慮其齒輪的強度、剛度及耐磨損。ANSYS能夠模擬齒輪副在工作情況下的應力分布，并經過有限元計算可預測齒輪副在不同工況的應力集中情況，從而指導設計。通過ANSYS計算可以看出，在齒輪嚙合過程中齒輪的齒根部分是應力集中情況最多，也最易造成應力集中的部位，在材料和熱處理上需要嚴格把關。

進行齒輪副的結構與運動原理分析時還必須結合齒輪副在客車驅動橋的工作條件。客車驅動橋用的低速齒輪副往往工作在低速大扭矩的環境，這對齒輪副的強度以及耐久性的要求非常高，必須承受長期的磨損與沖擊。利用ANSYS軟件進行仿真分析預測齒輪副的動態響應，以對齒輪副結構進行優化設計。

2.2 齒輪材料的選擇與性能要求

ANSYS客車驅動橋低速齒輪副應力分析的研究，齒輪材料選配性能匹配就是設計成功的保證。齒輪材料需對工況所產生的高應力和高磨損具有足夠的強度、硬度、韌性、耐磨性。例如常用的齒輪材料為20CrMnTi，該材料具有很好的綜合機械性能，在表面硬化后硬度能夠達到HRC58-62，這為齒輪副具有良好的承載能力和耐磨性提供了較好的保證。AN-SYS模型材料屬性的確切配置，對齒輪在實際工作時的應力和形變起到了很好的模擬作用。材料的滲碳和淬火等工藝對齒輪的加工性能也存在較大影響，可以顯著提高齒輪的表面硬度和芯部韌性，延長其使用壽命。在進行應力分析時，需要考慮材料的屈服強度的抗拉強度，確保分析結果的準確性。

2.3 驅動橋低速齒輪副的設計參數

在客車驅動橋低速齒輪副的設計中，精確的參數設定是確保齒輪副性能和耐久性的關鍵，設計參數包括齒輪的模數、齒數、壓力角、螺旋角以及齒寬等，模數的選擇直接影響齒輪的尺寸和承載能力，而齒數的確定則關系到齒輪的傳動比和轉速[4-5]。通常會根據客車的載重、速度要求以及驅動橋的空間限制來綜合考慮這些參數。以某型號客車為例，其驅動橋低速齒輪副設計時采用了標準模數 4mm 、齒數20、壓力角 20^° 、螺旋角 30^° 、齒寬 40mm 的參數。客車的設計參數可以滿足在不同路況下的動力傳遞需求，也可以保證齒輪副在長期運行中的穩定性和可靠性。ANSYS軟件通過建立精確的三維模型和進行有限元分析，預測齒輪副在各種工況下的應力分布和變形情況，為齒輪副設計參數的優化提供參考依據。

3有限元分析

3.1二級減速器網格劃分

電動汽車主減速器與傳統燃油汽車主減速器相比，由于其齒根的應力分布特點，所以相比傳統變速齒輪對材料的彎曲強度與疲勞壽命要求更高。有限元模型建立時，齒輪采用拓撲設計理念的異網格細分方法，嚙合齒面以及齒根圓角采用 0.5mm 網格，輻板部分采用 2mm 網格。

經有限元計算后，得到節點數825633個、三維實體單元數402361的網格模型。在圖1中，二級減速器的網格模型應力梯度變化明顯之處（例如齒接觸區域、安裝軸承座位）實現了網格大小的指數收斂，并通過計算雅可比矩陣進行質量系數的校核，滿足了0.7以上的單元數量占比達 90% 以上，達到ISO26382標準中網格收斂性對于動態載荷敏感區域的要求，真正做到了在保證計算精度的基礎上兼顧了效率，從而實現了在工程中的應用。

3.2 各構件有限元分析

3.2.1 減速器高速齒輪副有限元分析

高速齒輪副采用的 40MnB 合金鋼材料，其材料屬性：密度 ρ=7850kg/m³ ；泊松比 ν=0.3 ；彈性模量 E ；屈服強度 σ_s=785MPa 。建模時假定的齒面接觸應力載荷譜的轉速為：主動齒輪輸入轉速 ω= 173.75rad/s （ Z 向正方向）；從動齒輪受控轉速 ω= -59.913rad/s （ Z 向負方向）；施加載荷阻力矩 T= 319N?m 。模擬傳動實況下的齒面接觸應力載荷，多體動力學耦合模擬，齒面接觸應力場分布如圖2所示，齒面接觸應力最大集中在嚙合線上及危險截面的齒根部位。

由圖2可知，在額定工況載荷譜作用下，高速齒輪副呈現典型的赫茲接觸應力分布特性，其瞬態峰值接觸應力達 169.46MPa ，集中分布于主從動齒輪嚙合線區域及齒根過渡圓角處。結合該齒輪副材料40MnB 的力學性能參數（屈服強度 σ_s=785MPa ）分析，最大接觸應力值僅占材料屈服極限的 21.6% ，充分驗證了高速齒輪抗接觸疲勞安全系數達到4.63，完全滿足ISO6336標準中關于閉式傳動齒輪的強度設計要求。

3.2.2二級減速器低速齒輪副有限元分析

低速齒輪副取 20CrMnTi 滲碳齒輪鋼，其參數： ρ =7800kg/m³ ； ν=0.25 . E=207GPa ； σ_s=835MPa_? 。其中負載選取主動齒輪輸入轉速 ω=-59.913rad/s （反向傳動同步），從動齒輪控制轉速 ω=14.613rad/s ，并施加T=-1 ， 131.9N?m 的阻力矩形成閉環扭矩平衡條件。繼任高速模型約束條件（軸向止擋、徑向滑動副）進行準靜態接觸計算后，得到低速齒輪副應力場分布云圖見圖3，其應力集中區域與理論赫茲接觸模式結果一致。

如圖3所示，瞬態接觸應力峰值為 600.69MPa 該值不僅在齒面接觸區產生，載荷傳遞還在齒根位置產生顯著的次生應力區。該齒輪材料為 20CrMnTi 0 σ_s=835MPa ）滲碳合金鋼，低速級接觸應力安全系數為1.39，齒根彎曲應力安全系數為2.8，從DIN3990規范所允許的應力曲線可以判斷該齒輪副的最大應力應變響應均處在彈性變形范疇內。該齒輪副的拓撲構型設計和材料選型方案滿足數值仿真校核，其齒根彎曲安全系數和接觸安全系數均達到了AG-MA2001-D04對高負荷齒輪的規定。

4總結

根據ANSYS計算，高速齒輪副最大接觸應力[ 169.46MPa 與低速齒輪副最大接觸應力 (600.69MPa) 0都低于材料屈服強度（ 785MPa 和 835MPa ），表明齒輪副能夠滿足強度需要。 20CrMnTi 及 40MnB 結合滲碳淬火工藝有效地提高了齒輪的耐磨與承載能力，滿足了低速大扭矩工況的要求。將網格加以劃分可以提高網格集中應力處的計算精度，模型共有82.5萬個節點，40.2萬個單元，得出的結果較為可靠。本研究對客車驅動橋的輕量化、節能減排設計具有一定的參考價值，有利于提高客車傳動系統對道路崎嶇復雜路面的適應性和抗耐力。

參考文獻

[1]孟紅博.某重型汽車驅動橋殼的有限元分析及優化設計[D].濟南：山東建筑大學，2022.

[2]呂衛衛，翟光新.汽車驅動橋磨合試驗臺模塊化設計[J].工程機械文摘，2021（5)：14-16

[3]羅永龍，李嶸，任廷彪，等.新能源汽車驅動橋齒輪齒面檢測與質量控制[J].汽車知識，2024，24（10)：138-140.

[4]郭佑明.驅動橋齒輪傳動系統的非線性動力學特性分析[D].蘭州：蘭州交通大學，2024.

[5]邢宏福.面向振動與噪聲的驅動橋關鍵齒輪副齒廓表面的優化研究[D].青島：青島理工大學，2021.

(編輯楊凱麟)

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