基于ANSYS的人字齿轮齿根应力有限元分析.doc

第1章 绪论 1.1 引言 随着齿轮向高速、重载、低噪、高可靠性方向的发展, 对齿轮传动的静、动态特性提出了更高的要求。计算技术和计算机的迅速发展与广泛应用, 为齿轮强度有限元分析提供了强有力的工具。国内外在轮齿弯曲应力与变形研究方向作了不少有益的工作, 但是在以往关于齿根应力的研究中, 主要存在以下局限性: 1) 在轮齿加载时, 虽然考虑了齿轮啮合过程中随着啮合点的变化, 齿间载荷的分配问题, 但齿间载荷分配一般按照经验公式来选取, 且大多没有考虑啮合过程中, 随着啮合点的移动, 轮齿啮合刚度变化的影响; 2) 加载点的位置过于稀散, 不能真实、完整地反映轮齿在一个啮合周期内齿根应力与加载点变形的规律。为了真实而形象地模拟齿轮啮合过程中齿根弯曲应力的变化, 必须建立一对齿轮的啮合的有限元模型, 利用啮合轮齿间的接触单元传递相互作用力, 避免按照经验公式选取齿间载荷分配, 并可同时考虑轮齿啮合刚度的影响,且在有限元分析过程中可以考虑摩擦的影响。 随着计算机技术的发展, 有限元法提供了计算齿根应力的一种新的方法和手段, 避免了以往分析齿根应力时,将轮齿作为悬臂梁计算的误差;并且不需事先做出最大应力位置等假设, 也无需用一系列系数来考虑齿形及应力集中等因素的影响, 从而能较准确地反映齿根应力的分布形态。 对于一对直齿圆柱齿轮, 通常其重合度ε大于1小于2 ,齿轮在啮合过程中存在着单、双齿交替啮合的现象。由于齿轮并非刚体, 载荷在参与啮合的轮齿间并非平均分配,引起齿轮各对轮齿间的相互作用力的变化。同时,随着啮合位置的移动,轮齿间作用力对齿根的力臂大小也相应变化, 从而造成了轮齿在啮合过程中齿根应力相应变化。高速、重载硬齿面齿轮的发展,对于齿轮的振动和冲击研究尤为迫切,啮合过程中齿根应力的变化一直是研究的重点课题。1988 年,V. RAMAMURTI 等利用循环对称的概念计算了齿根应力随时间的变化。 1993 年,S. VIJAYRANGAN 等取齿轮的一个轮齿计算了冲击和移动载荷下齿根应力随时间的变化。2001年,徐步青等研究了整个齿轮在移动载荷作用下齿轮齿根应力的变化。在上述有限元模型中, 虽然考虑了齿轮啮合过程中随着啮合点的变化,齿间载荷的分配问题,但齿间载荷分配一般按照经验公式来选取, 且大多没有考虑啮合过程中, 随啮合点的移动, 轮齿啮合刚度变化的影响。为真实而形象地模拟齿轮啮合过程中齿根弯曲应力的变化,必须建立一对齿轮的啮合的有限元模型 ,利用啮合轮齿间的接触单元传递相互作用力, 避免按照经验公式选取齿间载荷分配, 并可同时考虑轮齿啮合刚度的影响,且在有限元分析过程中可以考虑摩擦的影响。这种方法的主要缺点是由于接触问题具有高度非线性,求解工作量大,动态模拟齿轮啮合过程中齿根应力的变化时,计算时间更加漫长,一般简化为二维平面问题。对于三维问题, 大多采用子结构方法求解,以提高计算效率。本文运用ANSYS 软件,建立一对直齿圆柱齿轮啮合的平面有限元模型,在小齿轮(主动齿轮) 和大齿轮(从动齿轮) 间设置接触单元, 以考虑齿间摩擦和齿间滑移的影响。通过小轮的连续转动, 带动大齿轮运转,动态地仿真齿轮啮合过程,分析啮合过程中齿根应力的变化。 1.2有限元法在应力研究中的国内外发展状况 有限元法的基本思想最早出现于20世纪40年代初期，但是直到1960年，美国的克拉夫（Clough.R.W）的简介：　　1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988年，V1.0的ro/ENGINEER诞生了。经过10余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了Pro/ENGINEER2000i2。PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/ENGINEER还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。下面就Pro/ENGINEER的特点及主要模块进行简单的介绍。　主要特性　　全相关性：Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。　　基于特征的参数化造型：Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。　　装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征