半轴齿轮的ABAQUS有限元模拟实验

Vol. 33,No. 1Mar. 2021
第33卷第1期
2021年3月河南工程学院学报（自然科学版）
JOURNAL OF HENAN UNIVERSITY OF ENGINEERING 半轴齿轮的ABAQUS 有限元模拟实验
徐滨
（合肥职业技术学院机电工程学院，安徽合肥238000 ）
摘要：车桥半轴齿轮是差速器的重要组成部分,在差速器工作中扮演着十分重要的角色。

针对断裂的半轴齿轮进行断 口形貌、成分及硬度分析，并结合有限元模拟分析齿轮失效的原因。

结果表明：齿轮渗碳层厚度约0.8 mm,渗碳层显微组织主 要为硬度较高的针状马氏体和部分残留奥氏体，硬度达785. 1 N/mm 2 ,表面硬化处理与渗碳处理基本符合工况要求。

通过 ABAQUS 模拟发现半轴齿轮最易断裂处位于齿根最靠近边角的部位，与实际工况吻合。

关键词:半轴齿轮;模拟分析;失效分析;ABAQUS
中图分类号:TB115 文献标志码:A 文章编号= 1674 - 330X （2021 ）01 -0059 - 03
ABAQUS finite element simulation analysis of half shaft gear
XU Bin
（School of Mechanical and Electrical Engineering , Hefei Polytechnic University, Hefei 238000, China ）Abstract : Axle gears are an important part of the differential mechanism , and play a very important role in the work of the differ ­ential mechanism. In this paper, the morphology analysis , composition analysis and hardness analysis of the fractured half-shaft gear are earned out, and the cause of the gear failure is analyzed in conjunction with the finite element simulation analysis. The results show that the thickness of the carburized layer of the gear is about 0. 8 mm. The microstmcture of the carburized layer is mainly needle- shaped martensite with higher hardness and part of retained austenite. The hardness reaches 785. 1 N/mm 2. The surface hardening treatment and carburization treatment are basically meet the requirements of working conditions. Through ABAQUS simulation , it is f （）uncl that the most easily broken part of the half-shaft gear is located at the lowermost comer of the tooth root , which is consistent with the actual working condition where the fracture occurs.
Keywords ：half-shaft gear ； simulation analysis ； failure analysis ； ABAQUS
差速器的精度和可靠性是国内研究的难点。

其中，半轴齿轮是提高弟速器性能与消除汽车在转弯时阻 力差的关键汽车在运行过程中经常山现齿轮失效的情况，例如齿轮折断、疲劳点蚀、齿面磨损、齿面胶 合、齿面塑性变形等[2-4]»李维国等已运用ABAQUS 模拟分析，在利用软件参数化生成弟速器模型的基础 上，把ABAQUS 作为求解器对差速器齿轮进行强度校核，为进一步进行齿轮疲劳寿命计算及轻量化设计提 供了依据。

木研究针对半轴齿轮的断裂问题，采用理化检验与模拟仿真相结合的方式，分析其断裂机制，建 立半轴齿轮模型,运用仿真软件对啮合作用进行模拟，以期为齿轮断裂分析提供理论依据。

1材料与方法
1.1实验材料
本课题研究的是差速器半轴齿轮的断裂部分（见
图1）,其构成材料为20CrMnTi （抗拉强度为
1 080 MPa,屈服强度为885 MPa ）。

该材料是一种常
见的渗碳钢，具有较好的淬透性，其化学成分如表1
所示。

图1半轴齿轮零件Fig.l Part drawing of half shaft gear
收稿日期：2020 -07 -10
基金项目：安徽省基层教研室示范项目（2018jyssfD90）
作者简介：徐滨（1968—）,女，安徽巢湖人，副教授，主要研究方向为机械制造与设计o
・60・河南工程学院学报(自然科学版)2021年
1.2实验方法
1.2.1取样
实验样品取自修车厂换下的断裂齿轮，其表面油污较多。

鉴于断裂齿轮已经出现止转火效，为了更直观地描述齿轮断裂的原因，将样品带冋实验室，使用去污剂对齿轮表面进行清洗，并采用DK7725型电火花线切割机对半轴齿轮的断裂部分进行线切割取样。

1.2.2金相测试
首先分别使用型号为400P、600P、800P、1000P和1500P的砂纸对样品进行打磨，然后采用型号为W0.5的抛光膏结合抛光布对样品进行抛光，使用质量分数为4%的硝酸溶液进行样品腐蚀，最后将样品的抛光面置T-Olympus Gx51型光学显微镜下进行金相组织观察和图像采集。

1.2.3SEM测试
表1实验材料化学成分
Tab.1Chemical composition of experimental materials 项冃实测值/%国标值/%
w(C)0.200.17〜0.23
w(Si)0.260.17-0.37
w(Mn)<7.000.80-1.10
w(Cr) 1.09 1.00-1.30
w(Ti)0.060.04〜0.10
w(Mo)0.002—
w(Ni)0.398W0.030
w(Cu)0.012W0.030
将腐蚀后的金相样品用FEI Inspect S50型扫描电子显微镜进行微观形貌扫描，主耍在金相显微组织齿顶部分的渗碳层、过渡层、基体组织处，分别用50,200倍率进行拍照，在分度圆、齿根的相同位置用200倍率进行把照，最后初步进行断裂机制分析。

1.2.4硬度测试
微观形貌观察完毕后使用HV-1000型显微维氏硬度计对样品进行打硬度实验。

首先对半轴齿轮试样件表层3个位置(齿顶、分度和圆齿根)的边缘部分每隔0.2mm向心部打点进行打硬度测试，分析半轴齿轮试样渗碳后从表层到心部的硬度变化情况，最终测出硬度值并利用相应软件绘制出硬度变化曲线。

1.2.5数值模拟与有限兀分析
(1)半轴齿轮建模。

采用间接建模方法，先在Proe5.0软件中建立行星齿轮模型(齿数为18,模数为5mm,丿七力角为22.5°,齿顶咼为5mm,齿根咼为6.25mm,全齿咼为11.25mm),模型如图2所小
(2)载荷和边界条件。

将模型导入有限元
ABAQUS中的Load模块,选择半轴齿轮的底座作为约
束，在载荷界面中施加6.8kN的斥力。

(3)网格划分。

模型导入有限元ABAQUS中进行
分析。

首先，使用Module模块进行网格划分，参数如
下:Approximate global size为5.3,Element Shape为Tet
(四面体),Curvature control选择"打开"，其余参数选择默认值。

网格划分完毕后如图2(b)所示。

然后，将网格划分好的模型提交给Job模块运行，实现有限兀分析。

2结果及讨论
2.1失效齿轮的宏观分析
半轴齿轮的齿根断裂与分度圆折断情况如图3所示。

图3(a)中箭头指向的是齿根断裂的位置,齿根啮合处因为循环应力过载，缩短了半轴齿轮的疲劳寿命，在齿轮啮合面表层产生了微小的裂纹。

由于该齿
图2半轴齿轮零件模型与网格分布Fig.2Model of half shaft gear parts and
grid distribution
(a)齿根断裂(b)分度圆折断图3半轴齿轮齿根断裂与分度圆折断Fig.3Root fracture of half shaft gear and division circle
fracture
第1期徐滨：半轴齿轮的ABAQUS 有限元模拟实验.61 •轮在继续工作，裂纹开始扩展最终导致齿轮断裂。

半轴齿轮的整个面全部断开，断面比较平滑且没有挤用 痕迹，存在比较明显的脆断痕迹⑷。

半轴齿轮分度圆断裂的位置虽然也是齿轮的折断，但在断裂面及其附 近有严重的磨损现象，见图3 (b)。

这是因为齿轮啮合时两齿轮相互挤斥，齿面发生了严重的塑性变形，齿轮 表面的金属粒剥落，造成齿轮断裂表面出现各种坑状⑴。

2.2显微组织分析
齿轮渗碳层的好坏直接影响零件的抗疲劳强度和耐磨性，故对样品进行金相显微组织分析，具体如图4 所示。

其中，图4 (a)至图4 (d)分别对应图4 (e)中4个把摄位置的金相显微组织。

fb)分度凰渗礒层 齿根樓碳层 WL 、部位置 “)齿轮显微组螟取样部位
(a)齿顶滓碳层(a)断口表面 (b)半轴齿轮断口徹规形貌图5 SEM 微观形貌
Fig. 5 Scanning results of SEM microstmcture 图4金柑显微组织
Fig. 4 Metallographic microstnicture
图4中，(a)、(b)、(c)分别是齿顶、分度圆、齿根渗碳层的微观组织,渗碳层含有针状马氏体和一部分残 留奥氏体。

如果残留奥氏体过多，会导致齿轮表面硬度下降，也会使耐磨性下降。

心部位置有冋火索氏体 的存在，图中白色点为游离的铁素体，见图4 (d)。

将截取的样品断口位置放在扫描电子显微镜下进行观察，结果见图5。

断口较平整，断裂方向由一个点 开始向外扩散，断口表面无明显的塑性变形，该样品
断裂的形式为解理断裂，如图5 (a)所示。

同时，存在
小部分的韧窝，韧窝的尺寸比较小，容易发生断裂，而
显微空洞的数目不多，所以韧窝的数量不是很多，如
图5 (b)所示。

此外，在显微组织中冰糖花样、河流花
样短，支流少。

脆性断裂很危险，毫无征兆，不能及时
预防。

由断裂表面可知，该齿轮没有发生明显的犁性
变形。

2.3样品硬度检验
对失效半轴齿轮取样进行硬度测试，结果如表2所示
表2半轴齿轮表面硬度值
Tab. 2 Surface hardness of half shaft gear N/mm 2
渗碳层过渡区基体
齿顶
分度圆齿根齿顶分度圆齿根齿顶分度圆齿根785. 1759.9769.2
604.2685.8570.8338.7313.6335.6718.6744.8626.6
405.8389.5513.4312.6307. 5330.6———385.0345.2399.9———
由表2可知，硬度最大值出现在渗碳层边缘部位，过渡区和基体的硬度值变化在合理范围。

由图4(e) 可知,3个位置渗碳层的厚度在0.8 mm 左右,稍低于20CrMnTi 渗碳层的工艺标准，过渡区厚度为0. 3 mm 左 右。

在3个位置的半轴齿轮齿顶部分，渗碳层比较紧密，所以测出来的硬度值也就较高。

远离渗碳层齿顶部 分，硬度也逐渐变小，心部的硬度值普遍较低。

综上所述，实验所测得的硬度值在合理范围，渗碳处理稍低 于国家的工艺标准，表面硬化处理基木符合工况条件。

(下转第69
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2.4可视化模块分析
通过有限兀分析软件ABAQUS 得到齿轮弯曲强度分
析的应力云图，如图6所示。

半轴齿轮应力最大的地方
位于齿根啮合面最靠近边角的位置(达到4.957 x
10- MPa),而分度圆部位的应力值为6.588 x 10 1 MPa,
受应力影响最小的地方是齿轮顶部，为9.112x10 2 MPa,
说明半轴齿轮断裂的原因是应力集中或者齿轮的啮合过
程挤压力过大，超过了齿轮的屈服强度。

图6半轴齿轮应力云图Fig. 6 Stress nephogram of half shaft gear 3结论
(1) 由金相和显微组织分析发现半轴齿轮心部位置存在较多的铁素体，从而导致表面硬度、耐磨性和尺 寸稳定性均下降。

(2) 通过硬度测试可知,硬度值从大到小的排列为齿根处、齿顶处、分度圆处，所以在分度圆部位比较容 易发生齿轮断裂，与实际工况相符。

(3) 通过有限元模拟分析，由得到的应力分布图可知，齿根啮合面最靠近边角的部位应力最大，最容易 发生断裂。

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