汽车2×4驱切换控制机构结构优化及疲劳寿命分析

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汽车2×4驱切换控制机构作为分时四驱汽车分动器的关键部件,其力学性能和疲劳寿命将会影响到分时四驱汽车分动器的使用性能和寿命。在其正常工作时,可能产生较大的应力和变形,影响到其传动的准确性和平稳性,故为了获得一个综合性能好的控制机构,对控制机构进行静动态特性分析、结构优化和疲劳寿命分析就非常有必要。  本文运用SolidWorks和ANSYS分别建立了汽车2×4驱切换控制机构的三维模型和有限元模型。首先,对控制机构进行静态特性的仿真分析,得出控制机构的应力和变形情况,结果表明,控制机构的强度满足设计要求,但壳体的变形较大、控制机构重量偏重且强度存在较大的冗余量。其次,运用模态和谐响应分析得出控制机构壳体产生共振的频率,表明基础共振频率较高。最后,运用瞬态动力学对控制机构齿轮的动态特性进行分析,得出齿根应力存在较大冗余量。上述分析为控制机构结构优化和疲劳寿命分析提供了理论依据。  基于前述分析,运用均匀化方法对控制机构进行了结构优化。采用ANSYS拓扑优化模块对控制机构进行了结构优化,并运用齿轮修形法对齿轮轮齿进行了优化仿真,在此基础上,对控制机构进行了改进。通过对优化前后的结构进行应力、变形和重量等对比分析,并对优化后的结构进行了强度验证,得出优化后的结构较优化前的质量有所减小、变形有所降低,同时满足强度要求;表明优化后的结构较为合理。  运用雨流计数法和线性疲劳累积损伤法对优化前后的控制机构进行恒定载荷下和随机载荷下的疲劳寿命分析与计算。通过恒定载荷下的疲劳寿命分析,得出优化后的控制机构壳体最小安全系数较优化前的有所降低、齿轮最小安全系数基本不变,但均满足设计要求。通过随机载荷下的疲劳寿命分析与计算,得出优化后的控制机构使用寿命较优化前的有所降低,但满足设计要求。
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