塑料齒輪疲勞壽命分析(1)

1、1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隨時問t 的變化曲線如圖2所示。圖1齒輪嚙合時受力情況困間r/s圖 2 齒根應力隨時間變化曲線在現(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。疲勞破壞與傳統(tǒng)的靜力破壞有著許多明顯的本質差別：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(chǎn)生的破壞，它不是短期內(nèi)發(fā)生的，而是要經(jīng)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塑性變形產(chǎn)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

3、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(chǎn)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CA承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子量聚乙烯（UHMWP國一種綜合性能優(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）X106。隨著相對分子質量的大幅度升高，U

4、HMWPE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磨性居工程塑料之首，比尼龍 66（PA66）高4倍，是碳鋼、不銹鋼的78倍。摩 擦因數(shù)僅為，具有自潤滑性，不粘附性。因此，本文選用 UHMWPE為工程塑料齒輪材料 進行研究。UHMWPE能見表1。由于UHMWPE熱性能較差，所以與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材料老林

5、沖擊置度，（tg * 旭”）曖水朝1s磨摳期嗎（爹荷9.8 N 周期101）對銅的 鼻翼因索>1.4(60130.10-0.223 UHMWPE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。因此，在建立 UHMWPE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

6、。然后利用CAXAC件的齒輪建模功能和數(shù)據(jù)轉換功能建立 UHMWPE料齒輪疲勞分析模型如圖3所示圖3 UHMWPE料齒輪疲勞分析模型ANSY獎以有限元分析為基礎的大型通用 CA承件，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(wǎng)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

7、齒輪的主要失效形式。因此主要對 3 種情況下的UHMWPE料齒輪的疲勞壽命進行分析。UHMWP材料齒輪無缺陷情況的疲勞壽命分析在利用ANSY覦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料齒輪嚙合面為接觸面,用單元 Contal71 來定。 可以從菜單(Main Menu>Preprocessor>Modeling> Create> ContactPair）進入接觸向導，來建立目標面接觸面

8、的“接觸對”。也可以采用其他途徑建立接觸對, 這屬于ANSY皴本操作，本文不再詳述。接觸對建立完成后進入靜強度求解過程，主動齒輪為鋼齒輪，傳遞力矩為 6N- mi ANSYSf 算所得UHMWPE料齒輪齒根處的應力如圖4所示。從應力云圖中可以看出：最大應力發(fā)生 在UHMWPE料齒輪齒根處，節(jié)點號為：2279,應力值為：。圖4 UHMW由料齒輪齒根處應力云圖工程塑料齒輪ANSY破勞分析的步驟為：首先進入后處理 POST1恢復數(shù)據(jù)庫，然后提取 齒根最大彎曲應力處的節(jié)點應力并將其儲存，并確定重復次數(shù)，最后采用Miner疲勞積累理論計算疲勞壽命并查看結果。UHMWPE料齒輪疲勞壽命預測需要的較關鍵疲勞

9、性質是材料的 S-N曲線，所研究的UHMWPE 材料的S-N曲線如圖5所示Q L-1 I i1/ io* d io* 10T番環(huán)次數(shù)圖5 UHMWPE料S-N曲線疲勞分析結果如圖6所示。可見在文中所設定工作載荷下，該UHMWPE料齒輪輪齒的疲勞 壽命為132800次，累計疲勞系數(shù)為。圖6無缺陷UHMwPE料齒輪疲勞計算結果齒問存在熔接痕時UHMWPE料齒輪的疲勞壽命分析UHMWPE料齒輪注塑工藝復雜。工藝控制不當很容易產(chǎn)生熔接痕等注塑缺陷。因此，對存 在熔接痕缺陷的UHMWPE料齒輪進行分析，可以確定該缺陷的不同位置對齒輪疲勞破壞的 影響程度。這對工程塑料齒輪的注塑工藝，澆口位置安排等都有一定

10、的指導意義。在利用ANSY分析存在熔接痕缺陷的工程塑料齒輪時，將熔接痕等效為I型裂紋問題，并采用 KSCO命(Main Menu>Preprocessor> MeshShape&Size> Concentrat KPs-Create),使ANSYSl動圍繞熔接痕尖端關鍵點生成奇異單元，然后進行分析求解。假設在兩輪齒間存 在一條長為的熔接痕，熔接痕位置和尺寸如圖 7所示圖7齒間熔接痕尺寸疲勞分析結果顯示：在齒間存在較小熔接痕缺陷情況下，UHMWPE料齒輪輪齒的疲勞壽命為124600次，累計疲勞系數(shù)為。疲勞產(chǎn)生的位置仍未齒根處。可見，齒間存在較小熔接痕 缺陷情況下，缺陷對UHMWPE輪疲勞壽命無較大影響。齒根存在熔接痕時UHMWPE料齒輪的疲勞壽命分析假設在齒根處存在一條長為 mm的熔接痕，熔接痕位置和尺寸如圖 9所示。3）當熔接痕靠近UHMWPE料齒輪齒根處時，加載后輪齒很快進人疲勞并斷裂，因此需要對圖9齒根熔接痕尺寸疲勞分析結果為：疲勞破壞發(fā)生在熔接痕尖端，如圖10所示。齒輪輪齒的疲勞壽命僅為5631 次?？梢?，在齒根存在較小熔接痕缺陷情況下齒輪很快進人疲勞并斷裂破壞。圖10疲勞破壞發(fā)生位置5結論與展望1）采用ANSYST限元技術可以計算復雜邊界條件下的疲勞問題，對工程塑料齒輪的疲勞