CN109598084A - 一种传动轴花键全齿面磨削残余应力的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种传动轴花键全齿面磨削残余应力的模拟方法，包括：1.准备通用磨削的残余应力分析或测试结果；2.对于花键齿表层每个有限元网格单元建立局部磨削坐标系；3.根据花键齿上局部磨削坐标系与花键全局坐标系之间的坐标变换关系，将分析或测试得到的单点通用磨削残余应力转换到花键全局坐标系上表达；4.遍历所有齿面网格单元，进行以上坐标系变换操作，最终得到全齿面的残余应力分布。本发明能以简单通用磨削试验测试与有限元仿真结合的途径替代花键零件磨削试验和测试过程，得到比完整零件试验测试更细致清晰的齿面残余应力分布结果，同时大大减少样件的数量、缩短试验周期，降低经济成本和时间成本。

Description

一种传动轴花键全齿面磨削残余应力的模拟方法

技术领域

本发明属于高性能长寿命传动领域，具体涉及一种传动轴花键齿面磨削残余应力分析方法。

背景技术

传动轴是重载车辆传动系统中不可或缺的关键元件，其使用性能对整个传动装置的功能实现和可靠性都起着至关重要的作用。随着未来车辆向着种类、功能多样化的方向发展，对其高机动性和高功率密度的需求更为明确，必然导致车辆传动轴的结构更为紧凑、重量更轻、转速显著提高，且运行条件更为恶劣，振动冲击载荷大幅增加。以上外部工况的日益严苛造成传动轴的内、外激励愈加复杂，振动条件越来越恶劣，发生疲劳断裂的现象越来越多。单纯依靠增大零部件的结构尺寸来增大安全系数的方法已无法满足设计要求，也不符合新发展形势的需求。必须从设计与加工工艺相结合的角度开展传动轴的动态力学精细化分析，从全生命周期内了解传动轴工作条件下的应力分布及其变化情况，才能从根本上了解传动轴失效的原因和机制。分析加工过程残余应力对花键端工作应力分布和变化的影响机制，也能反过来对工艺参数进行优化，找出解决传动轴疲劳断裂问题的有效方法。

传动轴的加工过程不可避免地会在被加工表面形成残余应力。在投入使用后，轴上的应力分布必然是加工残余应力与工况加载形成的应力耦合作用的结果。当前进行复杂结构零件应力分析的有效途径是有限元分析方法，可以直观地得到零件复杂几何结构和细节的应力分布及与加载工况相关的变化云图，有效帮助设计分析人员快速找到零件危险截面并给出优化和解决对策。但如果需要将加工过程形成的残余应力考虑在内，作为零件应力分析的初始条件，关键在于将加工表面得到的有限的残余应力试验测试数据点作为标准数据，映射到传动轴有限元网格模型的所有对应表面单元上。而残余应力是一个张量，其位姿由加工方向矢量决定。对于花键齿面这类空间复杂几何曲面来说，其上每个节点处的加工方向有可能各不相同，目前还没有现成的分析模块或者即有的解决途径来实现残余应力在加工表面上的映射。

发明内容

本发明的目的在于：基于即有的有限加工表面残余应力测试结果或者单点加工残余应力仿真结果，模拟整个花键齿面加工形成的残余应力分布情况，为后续花键轴考虑加工残余应力影响的加载分析提供技术支持和先期基础。

本发明提出了一种传动轴花键全齿面磨削残余应力的模拟方法。以磨削加工为例，本发明提出的方法包括：

步骤S1：准备通用磨削的残余应力分析或测试结果。

步骤S2：根据齿面实际磨削加工的形式，确定传动轴花键齿面上任意一点处在磨削过程中被磨削的方向矢量v′_gr(即磨削过程中砂轮上正在参与磨削的砂粒与被加工表面间的相对运动速度矢量)，并结合该点齿面法矢n′_gr建立花键磨削加工的局部坐标系Σ′_gr{O′_gr；x′_gr,y′_gr,z′_gr}。

步骤S3：遵照x_gr与x′_gr重合，y_gr与y′_gr重合，z_gr与z′_gr重合的规则，对于花键齿上任意一点，将通用磨削分析得到的残余应力张量结果Φ_gr通过坐标变换原理转换到花键全局坐标系Σ_g下表达，最终得到全齿面单元节点的残余应力张量。

进一步地，所述步骤S1中，通用磨削的残余应力张量表达的正交坐标系Σ_gr{O_gr；x_gr,y_gr,z_gr}应当由与磨削方向矢量v_gr和工件被加工表面法矢n_gr决定，如图2。

进一步地，所述步骤S2中所建立的花键磨削加工的局部正交坐标系Σ′_gr，令其原点O′_gr与被磨削点A重合，x′_gr轴与磨削方向v′_gr一致，z′_gr轴与被磨削表面过A点的切平面法矢n′_gr重合，并指向齿面外侧，y′_gr轴可由x′_gr和z′_gr的方向确定。

进一步地，定义传动轴花键齿网格模型建立所在的全局坐标系为Σ_g{O_g；x_g,y_g,z_g}，且所述步骤S2中局部坐标系Σ′_gr各坐标轴x′_gr、y′_gr和z′_gr在全局坐标系中分别表达为(l₁,m₁,n₁)，(l₂,m₂,n₂)和(l₃,m₃,n₃)。则局部坐标系Σ′_gr中任意点坐标P′_gr向花键齿坐标系Σ_g下的转换关系有：

P_g＝T^-1P_gr(T^-1)^T (1)

其中：为坐标转换矩阵。

进一步地，所述步骤S3中，若遵照x_gr与x′_gr重合，y_gr与y′_gr重合，z_gr与z′_gr重合的规则，则花键齿面任意点处磨削残余应力张量Φ_g与Φ_gr之间的坐标变换表达式为：

Φ_g＝T^-1Φ_gr(T^-1)^T (2)

本发明的有益效果：

(1)本发明提供一种计算方法，将简单平面磨削试验后样件单点检测得到的残余应力测试数据或者通用磨削仿真分析得到的单点数据值按照磨削方向一致的原则，通过坐标变换的方式一一映射到传动轴花键齿面上，最终得到全齿面的磨削残余应力分布。与通过真实花键磨削试验并检测齿面多点残余应力来推测残余应力场的方法相比，本发明提供的方法由于可以计算花键齿面任意点的残余应力值，有利于得到更为精确细致的结果。

(2)对于需要通过调整磨削参数来获得最优的花键齿面残余应力分布的应用需求，本文提供的方法不需要进行花键样件的加工制备，能够大大减少试验-测试的时间和经济成本。

(3)本文提出的计算方法可以同样推广应用至其他如齿轮、叶轮叶片等具有空间复杂曲面结构的零件磨削甚至其他加工方式产生的残余应力分布分析过程。

附图说明

图1为本发明的分析方法流程图；

图2为通用磨削分析得到的参与应力张量向花键齿面映射过程中的坐标系变换关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方法的实施方式做详细说明。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明实施例以传动轴上一个花键齿为对象，将已有的简单磨削工艺仿真分析得到的磨削残余应力张量映射到整个花键齿面节点上，实现基于简单局部范围磨削分析结果向大范围空间曲面的磨削残余应力模拟。实例包括以下步骤：

(1)建立通用磨削坐标系Σ_gr{O_gr；x_gr,y_gr,z_gr}。在被磨削平面上，以砂轮磨粒与被加工表面的相对运动方向作为x_gr轴，以垂直于磨削平面的方向为z_gr轴，进而确定y_gr轴。对于仿真或测试得到的残余应力结果张量Φ_gr，将其在坐标系Σ_gr中表达。

(2)在花键齿网格模型上定义表层单元集合Set_Ele_surf。

(3)对于单元集合Set_Ele_surf中的第i个单元(A_i点)，将Φ_gr通过坐标变换的方法映射到该单元上，：

(3.1)依照实际磨削工况，确定磨削该单元i所在位置时的磨削方向矢量，即砂轮磨粒在该点相对被加工表面的运动方向矢量v′_gr(i)；

(3.2)建立齿面上过A_i点的切平面γ，以磨削方向v′_gr(i)为x′_gr(i)轴，并定义γ上与x′_gr(i)垂直的方向为y′_gr(i)轴，过A_i点与γ垂直的方向为z′_gr(i)轴，形成齿面的磨削坐标系∑′_gr(i)；

(3.3)假设仿真或测试得到的残余应力结果张量Φ_gr在花键齿坐标系中表达为Φ_g，则可按照转换关系Φ_g＝T^-1Φ_gr(T^-1)^T将Φ_gr表达为Φ_g。

综上，通过以上流程，循环遍历单元集合Set_Ele_surf中所有单元，可以实现通用磨削分析得到的单点残余应力结果向传动轴花键齿面的映射，得到全齿面的残余应力分布结果。本发明提出的方法是进行后续花键真实工作应力分析，并考察残余应力分布对花键强度影响的关键基础。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (4)

1.一种传动轴花键全齿面磨削残余应力的模拟方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤S1：准备通用磨削的残余应力分析或测试结果。

步骤S2：根据齿面实际磨削加工的形式，确定传动轴花键齿面上任意一点处在磨削过程中被磨削的方向矢量v′_gr(即磨削过程中砂轮上正在参与磨削的砂粒与被加工表面间的相对运动速度矢量)，并结合该点齿面法矢n′_gr建立花键磨削加工的局部坐标系Σ′_gr{O′_gr；x′_gr,y′_gr,z′_gr}。

步骤S3：遵照x_gr与x′_gr重合，y_gr与y′_gr重合，z_gr与z′_gr重合的规则，对于花键齿上任意一点，将通用磨削分析得到的残余应力张量结果Φ_gr通过坐标变换原理转换到花键全局坐标系Σ_g{O_g；x_g,y_g,z_g}下表达，最终得到全齿面单元节点的残余应力张量。

2.根据权利要求1所述的一种传动轴花键全齿面磨削残余应力的模拟方法，其特征在于：所述步骤S1中，通用磨削的残余应力张量表达的正交坐标系Σ_gr{O_gr；x_gr,y_gr,z_gr}应当由与磨削方向矢量v_gr和工件被加工表面法矢n_gr决定。

3.根据权利要求1所述的一种传动轴花键全齿面磨削残余应力的模拟方法，其特征在于：所述步骤S2中所建立的花键磨削加工的局部正交坐标系Σ′_gr，令其原点O′_gr与被磨削点A重合，x′_gr轴与磨削方向v′_gr一致，z′_gr轴与被磨削表面过A点的切平面法矢n′_gr方向一致，并指向齿面外侧，y′_gr轴可由x′_gr和z′_gr的方向确定。

4.根据权利要求1所述的一种传动轴花键全齿面磨削残余应力的模拟方法，其特征在于：所述步骤S3中，若遵照x_gr与x′_gr重合，y_gr与y′_gr重合，z_gr与z′_gr重合的规则，则花键齿面任意点处磨削残余应力张量Φ_g与Φ_gr之间的坐标变换表达式为：

Ф_g＝T^-1Ф_gr(T^-1)^T

其中：为坐标转换矩阵；(l₁,m₁,n₁)，(l₂,m₂,n₂)和(l₃,m₃,n₃)为局部坐标系Σ′_gr的坐标轴x′_gr、y′_gr和z′_gr在全局坐标系Σ_g中的表达。