[发明专利]一种传动轴花键全齿面磨削残余应力的模拟方法

说明书

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。

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。