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基于Ansys的齿轮接触应力分析吕 纯 基于Ansys的齿轮接触应力分析 吕 纯 洁 （洛阳理工学院 机械工程系，河南 洛阳 471023） 摘 要：利用Ansys软件对齿轮进行有限元仿真分析，从网格精度和加载方式两方面寻求最佳模型，分析了不同齿 宽情况下齿面接触应力与理论结果的误差，为齿轮的优化设计和可靠性设计奠定了坚实的基础。 关键词：有限元分析；齿面接触应力；应力云图 DOI:10.3969/j.issn.1674-5043.2012.03.009 中图分类号: TH132.412 文献标志码: A 文章编号: 1674-5043(2012)03-0034-04 齿轮是机械中最重要的零件之一，其形状比较复杂，传统上一般以安全系数和许用应力为基础进行 设计，带有很大近似性。计算结果无法外推到复杂载荷状况下，缺乏真实的应力应变分布规律，不能 进 行结构优化设计。 有限元法在齿轮中的应用 有限元法(FEM)是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，在机械方面的应用极 为广泛。以齿轮分析为例，近年来建立的齿轮有限元模型更加接近客观实体，为全面准确地模拟齿轮应力 应变规律提供了更为可信的基础。从模型的空间形态上看，三维齿轮模型逐渐取代二维模型，全面直观地 反映客观实际；从模型的材料性质上看，材料参数得到细化，涵盖了齿轮弹性和塑性变形特性；从分析过 程看，在静态过程基础上深化齿轮动态过程(瞬态、冲击和碰撞等)，为复杂工况的模拟提供了可能[1]。伴随 着计算机硬件的飞速发展与各类有限元应用软件的持续改进，有限元仿真分析的精确度、准确度与计 算 速度不断获得提高。 Ansys软件是大型通用有限元分析软件，能够进行结构、热、声、流体及电磁场等方面的研究。利用 Ansys软件对齿轮仿真分析时，模型形态、网格精度和加载方式等因素均对分析结果有影响。本文以齿轮 的齿面接触应力为例，结合理论结果，通过对比分析，寻求齿轮仿真分析的最佳模型。 1 2 问题的提出 基本参数 考虑到普遍情况和便于分析，选取整体式斜齿圆柱齿轮为研究对象。大小齿轮均为8级精度，软齿 面，非对称布置，轴刚性大。工作平稳，传递功率P=10 kw，转速n=970 r/min，传动比i=1。齿数Z=20， 模数m=4 mm，分度圆直径d=80 mm，内孔径d0=30 mm。 2.1 理论分析 名义转矩T=9 550P/n=98 454 N·mm；切向力Ft=2T/d=2 461 N；法向力Fn=Ft/cos20? 2 691 N；使用 系数KA=1.25；动荷系数Kv=1.2；齿间载荷分配系数Kα=1.2。 1 ）齿宽b=24 mm ，齿向载荷分配系数Kβ=1.03 ，载 荷系数K= KAKvKαKβ=1.854 ，齿 面接触 应力 2.2 2 1/2 σH=(4KT/bd ) × ZEZH=1 034 MPa； 2）齿宽b=48 mm，齿向载荷分配系数Kβ=1.09，齿面接触应力σH=752 MPa； 3）齿宽b=64 mm，齿向载荷分配系数Kβ=1.14，齿面接触应力σH=666 MPa； 4）齿宽b=80 mm，齿向载荷分配系数Kβ=1.18，齿面接触应力σH=606 MPa。 收稿日期: 2012-05-22 作者简介: 吕纯洁(1973-),女,河南南阳人,硕士,讲师,主要从事有限元分析、计算机模拟等方面的研究. 第3期 吕纯洁： 基于Ansys的齿轮接触应力分析353 有限元分析 第3期 吕纯洁： 基于Ansys的齿轮接触应力分析 35 3 有限元分析过程 采用Pro/e进行参数化建模，利用igs格式导入Ansys中。 网格精度的影响 Ansys提供了多种可供选择的单元类型，适用于不同的模型形态。求解齿轮齿面接触应力，可近似简 化为带厚度的平面应力问题，适宜选取4节点四边形板单元plane182[2]。单元精度分别为4级、6级和8级时 的网格图如图1所示。 3.1 (a) 4级 (b) 6级 (c) 8级 图2 不同加载方式 由图1可知：1）单元精度是影响模型准确度的因素之一。对于形状比较规则的模型，原则上精度越 高，网格划分越细致，计算结果越准确。对于形状不规则的模型，精度过高或过低时都容易出现网格 不 合理异化，使模拟结果失去准确性。如图所示4级精度轮毂到轮缘部分网格尚可，而轮齿边缘部分出现明 显密集，后续计算易产生失真；8级精度整体网格疏密不一，误差较大；6级精度整体网格均匀致密，效 果良好。2）对于形状特别复杂的模型，需要先进行优化，去掉尖角和孔槽等，在尺寸突变的位置添加过 渡。如自动划分网格不能使网格均匀，则需要手动划分，不同位置选择不同的网格类型和精度。自适 应 网格划分效果较好，但过程繁琐计算量大，一