銷齒傳動(dòng)齒輪彎曲強(qiáng)度分析的綜述

銷齒傳動(dòng)齒輪彎曲強(qiáng)度分析的綜述

0疲勞試驗(yàn)和抗疲勞設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀隨著科學(xué)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(lái)越高，疲勞和破壞日益突出，對(duì)航空、造船、交通運(yùn)輸、動(dòng)力機(jī)械、化工機(jī)械、工程機(jī)械等行業(yè)產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅。因此,機(jī)械零件的抗疲勞設(shè)計(jì)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(guó)礦業(yè)工程師W.A.J.Albert提出第一份疲勞問(wèn)題的研究報(bào)告以來(lái),疲勞學(xué)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(dá)國(guó)家,疲勞試驗(yàn)和抗疲勞設(shè)計(jì)有了長(zhǎng)足的進(jìn)展。我國(guó)在研究疲勞強(qiáng)度方面的工作開展較晚,從20世紀(jì)50年代末期開始,才在個(gè)別的科研單位開展一些試驗(yàn)研究工作。60年代初期,幾個(gè)部屬的研究院針對(duì)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中的問(wèn)題進(jìn)行了一些試驗(yàn)研究,雖然零星地解決了一些生產(chǎn)問(wèn)題,但由于沒(méi)有做系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作,總的來(lái)講研究水平不高。從70年代末期開始,全國(guó)性的力學(xué)學(xué)會(huì)、機(jī)械工程學(xué)會(huì)、航空學(xué)會(huì)和金屬學(xué)會(huì)均召開了相應(yīng)的學(xué)術(shù)會(huì)議,有力地推動(dòng)了我國(guó)疲勞強(qiáng)度研究工作的開展。在我國(guó),疲勞研究開展較快的是航空工業(yè),我國(guó)在飛機(jī)設(shè)計(jì)中,已經(jīng)采用了抗疲勞設(shè)計(jì)。但一般機(jī)械設(shè)計(jì)仍處在靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)階段,很少進(jìn)行抗疲勞設(shè)計(jì),只是在軸和曲軸等少數(shù)零件中使用過(guò)抗疲勞設(shè)計(jì)。究其主要原因,除了設(shè)計(jì)人員對(duì)疲勞問(wèn)題認(rèn)識(shí)不足以外,主要還是缺乏抗疲勞設(shè)計(jì)的有效手段和相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)前,對(duì)于銷齒傳動(dòng)齒輪的彎曲強(qiáng)度分析仍然是基于傳統(tǒng)強(qiáng)度理論和假設(shè)的靜強(qiáng)度計(jì)算方法,與目前的技術(shù)要求存在一定的差距,有待進(jìn)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(jì)算方法,借助于功能強(qiáng)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(duì)應(yīng)用日漸廣泛的銷齒傳動(dòng)的齒輪進(jìn)行了精確的抗疲勞設(shè)計(jì)。為同類零件的精確設(shè)計(jì)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(zhǎng)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h(yuǎn)a=27.16mm,全齒高h(yuǎn)=44.16mm,齒廓過(guò)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(gè)三維實(shí)體模型的制作分為2部分進(jìn)行,分別進(jìn)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(shí)體有限元模型如圖1所示。這里采用10節(jié)點(diǎn)4面體單元SOLID187。用自由網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。彈性模量E=200GPa,泊松比μ=0.3。齒輪共計(jì)8027個(gè)單元,12628個(gè)節(jié)點(diǎn)。2創(chuàng)建存儲(chǔ)步長(zhǎng)及求解過(guò)程(1)設(shè)定實(shí)例的動(dòng)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(gè)側(cè)面限制各個(gè)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(jìn)行靜強(qiáng)度齒根彎曲應(yīng)力有限元分析。(6)進(jìn)行疲勞壽命分析①選擇MainMeu→GenneralPostproc→Fatigue→SizeSettings命令,進(jìn)行疲勞數(shù)據(jù)存儲(chǔ)步長(zhǎng)設(shè)置;②在齒根產(chǎn)生最大拉應(yīng)力處選擇某一節(jié)點(diǎn)(本例中選擇2586號(hào)節(jié)點(diǎn)),選擇MainMeu→GenneralPostproc→Fatigue→StoreStresses→FromrstFile命令,將該節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力從結(jié)果文件中取出并重新存儲(chǔ);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(jì)應(yīng)力強(qiáng)度和溫度的曲線;⑤二次進(jìn)入求解器,加載求解。由于齒根應(yīng)力是處于脈動(dòng)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(jìn)行靜強(qiáng)度齒根彎曲應(yīng)力有限元分析。而后,將2586號(hào)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力從結(jié)果文件中取出并重新存儲(chǔ);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(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系;⑦選擇MainMeu→GenneralPostproc→Fatigue→CaculateFatig命令,計(jì)算出2586號(hào)節(jié)點(diǎn)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(hào)