基于proe和ansys的齒輪虛擬設(shè)計(jì)

基于proe和ansys的齒輪虛擬設(shè)計(jì)

0齒輪的設(shè)計(jì)齒鉆壓繼承廣泛應(yīng)用于礦山、重環(huán)運(yùn)輸、冶金等行業(yè)的低速重型裝備中。由于其惡劣的工作環(huán)境，為了提高其壽命壽命和可靠性，齒輪的設(shè)計(jì)非常重要。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)是借助于經(jīng)典力學(xué)公式與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),本文以外嚙合銷齒傳動(dòng)齒輪為例,利用Pro/E軟件完成銷齒傳動(dòng)的齒輪的三維實(shí)體模型和有限元模型的創(chuàng)建,然后利用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)的有限元分析,實(shí)現(xiàn)了銷齒傳動(dòng)齒輪的虛擬設(shè)計(jì),對(duì)提高其使用壽命與可靠性提供了理論依據(jù),大大地縮短了該類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造周期。1齒輪建模步驟外嚙合銷齒傳動(dòng)實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于一對(duì)節(jié)圓作純滾動(dòng),其中齒輪的輪齒的齒廓曲線為外擺線,其輪齒的形狀主要取決于銷齒傳動(dòng)的相關(guān)參數(shù),本文銷齒傳動(dòng)的相關(guān)參數(shù)如下:齒輪齒數(shù)z1=13、銷輪齒數(shù)z2=360、銷齒直徑dp=30mm、齒距p=63.16mm、齒根圓半徑rf=15.5mm、齒根圓角半徑中心至節(jié)圓周距離c=1.5mm、齒頂高h(yuǎn)a=27.16mm、齒根高h(yuǎn)f=17mm、過(guò)渡圓弧半徑R=10mm。齒輪的建模步驟如下:(1)創(chuàng)建齒輪的齒坯利用拉伸特征創(chuàng)建齒輪的齒坯并參數(shù)化,其三維模型如圖1所示,其參數(shù)關(guān)系式為da=pz1/pi+2ha。(2)創(chuàng)建齒形的齒廓曲線先利用基準(zhǔn)坐標(biāo)系創(chuàng)建基準(zhǔn)坐標(biāo)系,然后利用基準(zhǔn)曲線功能中的方程曲線功能繪制繪制齒輪的嚙合曲線,接著以嚙合曲線的點(diǎn)為圓心,以銷齒直徑dp為直徑作一系列圓,然后繪制出這一系列圓的內(nèi)包絡(luò)線,即齒輪齒形的齒廓曲線,如圖2所示,在繪制過(guò)程中添加相應(yīng)的關(guān)系式驅(qū)動(dòng)。(3)創(chuàng)建齒槽特征先利用鏡像工具鏡像齒廓曲線,然后利用拉伸特征工具創(chuàng)建齒輪的第1個(gè)齒槽,如圖3所示,在繪制過(guò)程中添加相應(yīng)的關(guān)系式驅(qū)動(dòng)。(4)創(chuàng)建其余齒槽及齒輪的其他特征先利用陣列工具陣列出其余齒槽,然后利用拉伸、倒角與倒圓特征工具繪制出其余齒輪的其余特征,齒輪模型如圖4所示,在繪制過(guò)程中添加相應(yīng)的關(guān)系式驅(qū)動(dòng)。2齒輪載荷的施加利用MECHANICA模塊生成齒輪的有限元模型,其步驟如下:(1)設(shè)置材料屬性齒輪的材料為45鋼,調(diào)質(zhì)處理,硬度為HB207~255,彈性模量E=210GPa,泊松比μ=0.3,密度ρ=2.82t/m3,屈服強(qiáng)度σs=355MPa,抗拉強(qiáng)度σb=600MPa。將該材料屬性添加給齒輪模型。(2)添加約束選擇輪轂及鍵槽的面添加約束,將齒輪的6個(gè)自由度全部約束。(3)施加載荷由參考文獻(xiàn),按z1=13、ha/p=0.43得銷齒傳動(dòng)的重合度ε=1.28,為了提高齒輪的設(shè)計(jì)安全系數(shù),均假定載荷作用在相鄰兩齒的齒頂。為了加載首先利用基準(zhǔn)坐標(biāo)系工具在相鄰兩齒的齒頂建立相應(yīng)的局部坐標(biāo)系,接著再將齒輪所受的圓周力Ft=14497N、徑向力Fr=17806N與重力加速度gn=9.8ms2的重力載荷加載給模型,加載后的模型如圖5所示。(4)建立齒輪的有限元模型首先利用分析菜單中的“有限元分析(A)…”子菜單中的新建命令建立有限元分析任務(wù),分析任務(wù)的類型設(shè)置為“Stuctural”、約束和載荷分別選擇剛建立的約束與載荷組。再利用MECHANICA的FEM模式中的網(wǎng)格劃分功能劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格單元類型為三角形,劃分后的網(wǎng)格模型如圖6所示。最后運(yùn)行有限元分析任務(wù),并將運(yùn)行后的文件以后綴為.ans的文件輸出,至此齒輪的有限元模型完成。3齒輪結(jié)構(gòu)的靜力分析在ANSYS中導(dǎo)入Pro/E中的有限元模型文件,然后通過(guò)主菜單中的“Sloution→Slove→CurrentLS”對(duì)其運(yùn)行求解,求解完后,就可得出齒輪結(jié)構(gòu)的靜力分析的各種結(jié)果,如應(yīng)力、應(yīng)變與變形等,其應(yīng)力云圖如圖7所示,由圖可知最大應(yīng)力為144.158MPa,最大變形為1.045mm,故該齒輪的結(jié)構(gòu)滿足實(shí)際使用要求。4模型運(yùn)算仿真利用Pro/E軟件完成齒輪的三維參數(shù)化造型設(shè)計(jì)與有限元模型的創(chuàng)建,設(shè)計(jì)效率高、操作方便、便于修改;利用