工程塑料齒輪疲勞壽命有限元分析

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1、1齒輪的疲勞破壞???疲勞是一種十分有趣的現(xiàn)象，當材料或結構受到多次重復變化的載荷作用后，應力值雖然始終沒有超過材料的強度極限，甚至比屈服極限還低的情況下就可能發(fā)生破壞，這種在交變載荷重復作用下材料或結構的破壞現(xiàn)象就叫做疲勞破壞。???如圖1所示，F(xiàn)表示齒輪嚙合時作用于齒輪上的力。齒輪每旋轉一周，輪齒嚙合一次。嚙合時，F(xiàn)由零迅速增加到最大值，然后又減小為零。因此，齒根處的彎曲應力or也由零迅速增加到某一最大值再減小為零。此過程隨著齒輪的轉動也不停的重復。應力or隨時間t的變化曲線如圖2所示。???在現(xiàn)代工業(yè)中，很多零件和構件都是承受著交變載荷

2、作用，工程塑料齒輪就是其中的典型零件。工程塑料齒輪因其質量小、自潤滑、吸振好、噪聲低等優(yōu)點在紡織、印染、造紙和食品等傳動載荷適中的輕工機械中應用很廣。圖1齒輪嚙合時受力情況???疲勞破壞與傳統(tǒng)的靜力破壞有著許多明顯的本質差別：圖2齒根應力隨時間變化曲線???1)靜力破壞是一次最大載荷作用下的破壞；疲勞被壞是多次反復載荷作用下產生的破壞，它不是短期內發(fā)生的，而是要經歷一定的時間。???2)當靜應力小于屈服極限或強度極限時，不會發(fā)生靜力破壞；而交變應力在遠小于靜強度極限，甚至小于屈服極限的情況下，疲勞破壞就可能發(fā)生。???3)靜力破壞通常有明顯的

3、塑性變形產生；疲勞破壞通常沒有外在宏觀的顯著塑性變形跡象，事先不易覺察出來，這就表明疲勞破壞具有更大的危險性。???工程塑料齒輪的疲勞壽命，是設計人員十分關注的課題，也是與實際生產緊密相關的問題。然而，在疲勞載荷作用下的疲勞壽命計算十分復雜。因為要計算疲勞壽命，必須有精確的載荷譜，材料特性或構件的S-N曲線，合適的累積損傷理論，合適的裂紋擴展理論等。本文對工程塑料齒輪疲勞分析的最終目的，就是要確定其在各種質量情況下的疲勞壽命。通過利用有限元方法和CAE軟件對工程塑料齒輪的疲勞壽命進行分析研究有一定工程價值。2工程塑料齒輪材料的確定???超高分

4、子量聚乙烯(UHMWPE)是一種綜合性能優(yōu)異的新型熱塑性工程塑料，它的分子結構與普通聚乙烯(PE)完全相同，但相對分子質量可達(1～4)×106。隨著相對分子質量的大幅度升高，UHMWPE表現(xiàn)出普通PE所不具備的優(yōu)異性能，如耐磨性、耐沖擊性、低摩擦系數(shù)、耐化學性和消音性等。???UHMWPE耐磨性居工程塑料之首，比尼龍66(PA66)高4倍，是碳鋼、不銹鋼的7—8倍。摩擦因數(shù)僅為0.07～0.11，具有自潤滑性，不粘附性。因此，本文選用UHMWPE作為工程塑料齒輪材料進行研究。UHMWPE性能見表1。???由于UHMWPE導熱性能較差，所以與

5、其嚙合的齒輪選用鋼材料。這樣導熱性好、摩損小，并能彌補工程塑料齒輪精度不高的缺點。2嚙合齒輪均為標準直齒圓柱齒輪，參數(shù)為：UHMWPE齒輪齒數(shù)30，鋼齒輪齒數(shù)20，模數(shù)4mm，齒寬20mm，壓力角取為20°。表1超高相對分子質量聚乙烯性能3UHMWPE材料齒輪疲勞分析模型的建立???齒輪在嚙合過程中，輪齒如同受線載荷的懸臂梁，齒根所受的彎矩最大，因此齒根處的彎曲疲勞強度最弱。當輪齒在齒頂處嚙合時，處于雙對齒嚙合區(qū)，此時彎矩的力臂雖然最大，但力并不是最大，因此彎矩并不是最大。根據(jù)分析，齒根所受的最大彎矩發(fā)生在齒輪嚙合點位于單對齒嚙合區(qū)最高點時。

6、因此，在建立UHMWPE材料齒輪疲勞分析模型時，應該建立載荷作用于單對齒嚙合區(qū)最高點。???由機械原理漸開線齒輪連續(xù)傳動條件分析方法，可以得出單對齒輪嚙合最高點。然后利用CAXA軟件的齒輪建模功能和數(shù)據(jù)轉換功能建立UHMWPE材料齒輪疲勞分析模型如圖3所示。圖3UHMWPE材料齒輪疲勞分析模型4利用ANSYS分析UHMWPE材料齒輪疲勞壽命???ANSYS是以有限元分析為基礎的大型通用CAE軟件，是世界上第一個通過IS09001認可的有限元分析軟件。因此，通過準確地建立模型、合理的網格劃分與載荷施加以及邊界條件設定，就能得到可靠性較好的計算結

7、果。???對于工程塑料齒輪，由于其材料的力學性能、熱性能等都與金屬材料有很大區(qū)別，其失效形式及失效機理與金屬齒輪也有很大區(qū)別。由于塑料齒輪的彈性模量較低，與鋼齒輪嚙合過程中其赫茲接觸區(qū)較大，接觸應力較小，一般不會出現(xiàn)點蝕等表面失效，所以輪齒在彎曲應力作用下疲勞斷裂或折斷是塑料齒輪的主要失效形式。因此主要對3種情況下的UHMWPE材料齒輪的疲勞壽命進行分析。4.1UHMWPE材料齒輪無缺陷情況的疲勞壽命分析???在利用ANSYS進行齒輪的疲勞分析前，需要對2嚙合齒輪進行接觸分析。按照上文所分析的實際接觸情況，確定2齒輪單齒嚙合區(qū)域最高點位置，并

8、定義接觸類型為柔體對柔體的面對面接觸。???取鋼齒輪嚙合面為目標面，用單元Targel69來定義，取UHMWPE材料齒輪嚙合面為接觸面，用單元Contal71來定。