銷齒傳動齒輪彎曲強度分析的綜述

銷齒傳動齒輪彎曲強度分析的綜述

0疲勞試驗和抗疲勞設(shè)計國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備的交變能力越來越高，疲勞和破壞日益突出，對航空、造船、交通運輸、動力機械、化工機械、工程機械等行業(yè)產(chǎn)生了嚴重威脅。因此,機械零件的抗疲勞設(shè)計和制造已成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的重要課題之一。從1829年德國礦業(yè)工程師W.A.J.Albert提出第一份疲勞問題的研究報告以來,疲勞學的研究得到了世界范圍內(nèi)業(yè)界人士的高度重視,尤其在歐美一些工業(yè)發(fā)達國家,疲勞試驗和抗疲勞設(shè)計有了長足的進展。我國在研究疲勞強度方面的工作開展較晚,從20世紀50年代末期開始,才在個別的科研單位開展一些試驗研究工作。60年代初期,幾個部屬的研究院針對新產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)中的問題進行了一些試驗研究,雖然零星地解決了一些生產(chǎn)問題,但由于沒有做系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作,總的來講研究水平不高。從70年代末期開始,全國性的力學學會、機械工程學會、航空學會和金屬學會均召開了相應(yīng)的學術(shù)會議,有力地推動了我國疲勞強度研究工作的開展。在我國,疲勞研究開展較快的是航空工業(yè),我國在飛機設(shè)計中,已經(jīng)采用了抗疲勞設(shè)計。但一般機械設(shè)計仍處在靜強度設(shè)計階段,很少進行抗疲勞設(shè)計,只是在軸和曲軸等少數(shù)零件中使用過抗疲勞設(shè)計。究其主要原因,除了設(shè)計人員對疲勞問題認識不足以外,主要還是缺乏抗疲勞設(shè)計的有效手段和相關(guān)數(shù)據(jù)。當前,對于銷齒傳動齒輪的彎曲強度分析仍然是基于傳統(tǒng)強度理論和假設(shè)的靜強度計算方法,與目前的技術(shù)要求存在一定的差距,有待進一步加以深入研究。本文拋開傳統(tǒng)的基于懸臂梁理論的齒根彎曲應(yīng)力的計算方法,借助于功能強大的有限元分析軟件ANSYS9.0,在齒根彎曲應(yīng)力有限元分析的基礎(chǔ)上,對應(yīng)用日漸廣泛的銷齒傳動的齒輪進行了精確的抗疲勞設(shè)計。為同類零件的精確設(shè)計及疲勞壽命的深入研究提供了有益的分析方法和數(shù)據(jù)。1建立有限模型1.1齒廓長度為df1的齒齒輪齒數(shù)Z1=13,齒距p=63.16mm,齒輪節(jié)圓直徑d1=261.4mm,齒根圓角半徑ρf=15.5mm,齒根圓角半徑中心至節(jié)圓圓周距離c=1.5mm,齒頂高ha=27.16mm,全齒高h=44.16mm,齒廓過度圓弧半徑R=10mm,齒頂圓半徑da1=315.7mm,齒根圓半徑df1=227.4mm,中心距a=3749.5mm,齒寬b=45mm。1.2有限元網(wǎng)格劃分為了能在單齒嚙合的最高位置施加載荷,以單齒嚙合的最高位置為分界線,將整個三維實體模型的制作分為2部分進行,分別進行有限元網(wǎng)格劃分,而后利用MainMenu→Preprocessor→Modeling→Operate→Booleans→Add→Volume工具,將其合為一體。1.3自由網(wǎng)格劃分在ANSYS9.0環(huán)境下建立的三維實體有限元模型如圖1所示。這里采用10節(jié)點4面體單元SOLID187。用自由網(wǎng)格劃分方法進行網(wǎng)格劃分。彈性模量E=200GPa,泊松比μ=0.3。齒輪共計8027個單元,12628個節(jié)點。2創(chuàng)建存儲步長及求解過程(1)設(shè)定實例的動力參數(shù):齒輪傳遞功率P=2.2kW,齒輪軸轉(zhuǎn)矩T=2029.95N·m。(2)在齒輪模型的底面和2個側(cè)面限制各個面上的法向位移。(3)參考相關(guān)資料,求得重合度ε=1.28。(4)在單齒嚙合最高位置的嚙合線上,施加一均勻布載荷。(5)參考相關(guān)資料,進行靜強度齒根彎曲應(yīng)力有限元分析。(6)進行疲勞壽命分析①選擇MainMeu→GenneralPostproc→Fatigue→SizeSettings命令,進行疲勞數(shù)據(jù)存儲步長設(shè)置;②在齒根產(chǎn)生最大拉應(yīng)力處選擇某一節(jié)點(本例中選擇2586號節(jié)點),選擇MainMeu→GenneralPostproc→Fatigue→StoreStresses→FromrstFile命令,將該節(jié)點的應(yīng)力從結(jié)果文件中取出并重新存儲;③選擇MainMeu→GenneralPostproc→Fatigue→Elas-plasPar命令,定義彈塑性材料應(yīng)變硬化指數(shù)M和N;④選擇MainMeu→GenneralPostproc→Fatigue→Sm-TTable命令,描述設(shè)計應(yīng)力強度和溫度的曲線;⑤二次進入求解器,加載求解。由于齒根應(yīng)力是處于脈動循環(huán)狀態(tài),因此,在單齒嚙合最高位置的嚙合線上,施加一零載荷。進行靜強度齒根彎曲應(yīng)力有限元分析。而后,將2586號節(jié)點的應(yīng)力從結(jié)果文件中取出并重新存儲;⑥參考相關(guān)資料,選擇MainMeu→GenneralPostproc→Fatigue→PropertyTable→S-NTable命令,輸入疲勞循環(huán)次數(shù)與交變應(yīng)力強度對應(yīng)關(guān)系;⑦選擇MainMeu→GenneralPostproc→Fatigue→CaculateFatig命令,計算出2586號節(jié)點的允許疲勞循環(huán)次數(shù)和疲勞使用系數(shù)。3齒輪疲勞壽命分析方法(1)第2586號