基于有限元方法的齒輪接觸仿真分析

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1、2009年1月潤(rùn)滑與密封Jan12009第34卷第1期LUBRICATIONENGINEERINGVol134No113基于有限元方法的齒輪接觸仿真分析張永棟謝小鵬廖錢生國麗馮偉(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院廣東廣州510640)摘要:以齒輪接觸為對(duì)象,推導(dǎo)了齒輪接觸赫茲應(yīng)力公式。利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)齒輪接觸進(jìn)行了仿真分析,并對(duì)有限元分析仿真值與推導(dǎo)公式的計(jì)算值進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,理論計(jì)算值和仿真值非常接近,表明采用AN2SYS有限元分析軟件分析齒輪表面接觸問題是可行的。關(guān)鍵詞:齒輪;接觸分析

2、;有限元法;赫茲公式中圖分類號(hào):TH132141文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0254-0150(2009)1-049-3GearContactSimulationBasedonFiniteElementMethodZhangYongdongXieXiaopengLiaoQianshengGuoLiFengWei(SchoolofMechanical&AutomotiveEngineering,SouthchinaUniversityofTechnology,GuangzhouGuangdong510640,Ch

3、ina)Abstract:Hertzstressformulaofgearcontactwasdeduced.FiniteelementanalysissoftwareANSYSwasusedtomakecontactanalysisofgear,thesimulationresultofthefiniteelementanalysiswascomparedwiththecalculatingresult.Itisfoundthatthesimulationresultandcalculatingresul

4、tareveryclose.ItisfeasibletoanalyzegearsurfacecontactbyusingANSYSfiniteelementanalysissoftware.Keywords:gear;contactanalysis;finiteelementmethod;Hertzformula[3]利用計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是現(xiàn)代制造領(lǐng)接觸應(yīng)力的分布情況和輸出所需要的參數(shù)值。域的重要方法之一,其目的是優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu),滿足設(shè)廣泛應(yīng)用的漸開線齒輪輪廓是由直線在圓周上純[1]計(jì)需求。齒輪結(jié)構(gòu)

5、是現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中應(yīng)用最廣滾動(dòng)時(shí)其上一點(diǎn)的軌跡得到,如圖1所示。泛的形式。齒輪機(jī)構(gòu)常處在高溫、高脈動(dòng)載荷及潤(rùn)滑建立嚙合齒輪,設(shè)模數(shù)m=3、壓力角α=20°、較差的工作環(huán)境,因而它是機(jī)器主要易損件之一。據(jù)齒數(shù)Z1、Z2為30、90、齒寬b=45mm。設(shè)參變量t統(tǒng)計(jì),在齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中,80%的故障是齒輪故(取值范圍從0變到1),漸開線方程如下:[2]障。因此,針對(duì)工作環(huán)境,合理設(shè)計(jì)齒輪結(jié)構(gòu)、規(guī)Arc=(π×r×t)/2劃應(yīng)力分布是減少齒輪故障的重要途徑。本文作者利x=r×cos(t×90)+Arc×sin(t

6、×90)用ANSYS建模并分析漸開線直齒圓柱齒輪應(yīng)力分布,y=r×sin(t×90)-Arc×cos(t×90)同時(shí)比較仿真值與理論計(jì)算值。式中:r為基圓半徑。1齒輪物理建模等間隔選取t點(diǎn)計(jì)算漸開線各點(diǎn)坐標(biāo),描點(diǎn)并依ANSYS是一款集結(jié)構(gòu)、次連接得漸開線,將曲線鏡像、移動(dòng),連接齒頂和齒熱、流體、聲場(chǎng)、電磁場(chǎng)根圓弧形成漸開線齒廓,陣列形成完整的齒輪模型。等分析于一體的大型通用依照此方法分布建立主動(dòng)輪、從動(dòng)輪,通過移動(dòng)、旋有限元分析軟件,已經(jīng)廣轉(zhuǎn)完成兩齒輪的定位和正確嚙合,如圖2所示。泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域

7、。對(duì)于求解齒輪在靜載作用下的變形、應(yīng)力分布等問題,采用有限元法圖1漸開線數(shù)學(xué)模型仿真分析具有比較好的適Fig1Themathematicmod2應(yīng)性,亦能更真實(shí)地反映elofinvolute3基金項(xiàng)目:廣東省汽車工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(3007A03013).收稿日期:2008-07-28作者簡(jiǎn)介:張永棟(1983—),男,碩士研究生,研究領(lǐng)域:有圖2齒輪接觸模型限元仿真在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用研究1E2mail:zhang1yongdong@Fig2Gearcontactmodelmail1scut1edu1cn1

8、50潤(rùn)滑與密封第34卷2齒輪有限元仿真向,約束節(jié)點(diǎn)所有自由度。用此方法無法旋轉(zhuǎn)小齒輪模型創(chuàng)建完成后,ANSYS有限元接觸分析步驟內(nèi)表面節(jié)點(diǎn)坐標(biāo),需在小齒輪中心點(diǎn)建立局部柱坐標(biāo)如圖3所示。系(如圖2所示),再將節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系變?yōu)橹鴺?biāo),約為了計(jì)算方便,取束節(jié)點(diǎn)的徑向自由度,即約束x軸,使其只能繞中心兩齒輪為同種材料,定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)在節(jié)點(diǎn)周向y軸施加一定載荷Fy:義其彈性模量為206Fy=T/(N×r)GPa,泊松比為0