中型貨車主減速器設(shè)計及嚙合齒輪應(yīng)力分析

I中型貨車主減速器設(shè)計及嚙合齒輪應(yīng)力分析摘要：中型貨車在行駛的過程中，會受到很多來自不同地方的力，這些力對火車有很大的影響。另一方面因為貨車的體積和載貨后的重量，行駛過程中的潛在危險非常大，所以研究貨車一些重要的部件是非常有意義的。貨車的主減速器是貨車部件中一個非常重要的部分，它對貨車的行駛安全起著很大的作用，因此研究它對貨車安全性是很有幫助的。本文主要研究某中型貨車單級主減速器中一對嚙合齒輪，用CATIA建立所需要的實體模型，最后利用ANSYS分析主減速器中一對嚙合齒輪的接觸應(yīng)力，并且得到應(yīng)力云圖。關(guān)鍵詞：貨車；減速器；嚙合齒輪；有限元分析；

目錄TOC\o"1-3"\h\u72511緒論 386501.1研究火車主減速器的背景及研究其的重要性 337061.2齒輪力學(xué)研究現(xiàn)狀 3270101.3研究內(nèi)容 4321121.4研究方法 4219552CATIA軟件和有限元軟件軟件 5181532.1CATIA軟件 5287052.2有限元法理論概述 5272262.3ANSYS詳述 513772.3.1ANSYS有限元分析的簡介和特點 5109832.3.2ANSYS的功能 5234092.3.3ANSYS軟件操作過程 660683單級主減速器設(shè)計 796583.1主減速器基本參數(shù)的設(shè)計過程 7281373.1.1發(fā)動機最大功率 7200993.1.2發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩的計算 744653.1.3確定減速比 7107213.1.4主減速器計算載荷的確定 7201203.2錐齒輪的基本數(shù)據(jù) 885273.2.1主、從動錐齒輪齒數(shù) 814723.2.2小大錐齒輪齒面寬、 895013.2.3錐齒輪基本的數(shù)據(jù) 8311483.3器錐齒輪強度計算 10230403.3.1單位齒長圓周力 10320453.3.2齒根彎曲強度的計算 10277983.3.3輪齒的接觸強度 114103.4材料的選擇 11278353.5主減速器的三維模型圖 11125674一對嚙合齒輪應(yīng)力分析 1124254.1定義單元類型 12112324.2設(shè)定材料的類型 12118274.3在有限元中構(gòu)建模型 12261314.3.1將建立的模型導(dǎo)入 12203804.3.2對實體模型進行網(wǎng)格劃分 12139414.4施加載荷 13211794.4.1選擇求解方法 1466304.4.2求解 1413094.5計算結(jié)果 148335結(jié)論 16938致謝 169054參考文獻 171緒論研究火車主減速器的背景及研究其的重要性由于貨車工作條件的復(fù)雜且非常惡劣和其工作時間的持久時間，導(dǎo)致貨車在長途運輸中的安全性很難得到保障，貨車事故一般情況下也是非常嚴(yán)重的，所以貨車主要的部件的安全可靠性是研發(fā)中一個非常重要的部分。因此，由上述可知，研究貨車主要的零件的安全可靠性是非常有必要的。所以本文就以主減速器的一堆嚙合齒輪為對象進行寫作。圖1-1某品牌的中型貨車齒輪力學(xué)研究現(xiàn)狀齒輪力學(xué)方面的研究在很早就已經(jīng)開始了，最開始，格力森研究了齒面接觸分析的理論。此后，在許多的的研究人員的持續(xù)研究下，研究的內(nèi)容從單一的齒面到了整個齒輪系統(tǒng)，并且考慮到了各個部分的力學(xué)性能。研究技術(shù)人員開始了更進一步的探索對于齒輪的潤滑阻尼和齒輪抗疲勞強度得出的研究成果比較多，對于齒形壓力角、齒側(cè)間隙、時變嚙合剛度的鉆研還很少。國內(nèi)的研究技術(shù)人員在優(yōu)化理論且在計算機軟件的結(jié)合下，很多的研究技術(shù)人員通過物理模型的仿真實驗得到了很多的研究成果。隨著計算機的發(fā)展，有限元法也有了很大的發(fā)展，所以，用有限元對主減速器一對嚙合齒輪進行分析的得出的結(jié)果，是對現(xiàn)實中的制造方面有一定的幫助意義。1.3研究內(nèi)容這篇畢業(yè)論文是用有限元的方法對減速器中的一對嚙合齒輪進行分析，主要工作如下：通過閱讀很多文章，了解齒輪嚙合的相關(guān)知識及其相關(guān)的計算2.介紹相關(guān)軟件的使用3.設(shè)計求出主減速器中所需要的數(shù)據(jù)。4.用相關(guān)軟件進行實體模型的建立。5.用有限元軟件對嚙合齒輪進行分析，得出所需要的結(jié)果。1.4研究方法有限元的發(fā)展伴隨著計算機的發(fā)展，如今，有限元可以解決幾乎解決絕大部分力學(xué)有關(guān)方面的需求。有限元法是很多的研究人員共同做出來的，但求解的步驟是一致的。有限元最開始之能用于解決固體力學(xué)的問題。Melosh證明有限元法可以解決連續(xù)介質(zhì)的問題后，有限元法的用途更加的廣泛了。經(jīng)過這些年的不斷發(fā)展下，有限元法得到了很大的發(fā)展，既在結(jié)構(gòu)分析上取得了很大的成功并且也在現(xiàn)象方面的分析有了一定的基礎(chǔ)。2CATIA軟件和有限元軟件軟件2.1CATIA軟件CATIA軟件最開始是由達索公司設(shè)計研究出來的的，達索公司也一直在堅持用這個軟件。這個軟件創(chuàng)造出來后，IBM和波音也開始使用此軟件，在隨后的時間里漸漸得到普及。本軟件在建立所需要的模型是，如果知道模型的基本數(shù)據(jù)的話，模型會很快的繪制出來。設(shè)計該軟件的團隊是在重視和有大量的人才前提下使軟件走向成功。FrancisBernard創(chuàng)造出了此軟件，他在大學(xué)時的專業(yè)與力學(xué)也相關(guān)。達索公司的工程師們的年齡都不是很大，非常的年輕。2.2有限元法理論概述有限元(簡稱：FEM)。有限元是把一個整體分成有限個，而所劃分的有限個單元會有有限個節(jié)點來進行連接，然后按照變形的協(xié)調(diào)將各個單元重新的組合在一起并進行計算。它的普及運用使很多的理論在現(xiàn)實中實現(xiàn)。2.3ANSYS詳述2.3.1ANSYS有限元分析的簡介和特點ANSYS是全球第一使用廣泛有限元計算軟件，具有非常強大功能，內(nèi)置有很多種單元類型，可以解決很多很難的問題。ANSYS具有很強的問題處理能力，可以滿足研究中很多難且復(fù)雜的問題。。2.3.2ANSYS的功能ANSYS軟件在發(fā)展的過程中，應(yīng)用的方面也越來越多，廣泛應(yīng)用在航空航天、橋梁、電子、機械等領(lǐng)域。ANSYS的功能主要有：物體結(jié)構(gòu)、熱分析、電磁、流體幾個方面。2.3.3ANSYS軟件操作過程1.建模：首先建立要分析的實體模型。然后輸入所需要的數(shù)值，要滿足有限元計算的目的。有限元最主要和最核心的功能就是對建立的模型進行結(jié)構(gòu)離散化處理，模型建立好以后分割單元網(wǎng)格，然后根據(jù)要求進行有限元的網(wǎng)格分割劃分，最后比對，再就是對結(jié)果進行不停地循環(huán)，直到能滿足所需的要求為止。2.求解模塊計算：首先對需要的參數(shù)進行分析并計算出所需要的結(jié)果。因為計算階段的運算量非常的大，需一直循環(huán)，而且也比較復(fù)雜，這部分工作在計算機上操作則計算機就可以自動完成，可以節(jié)省計算量與工作時間這里可以通過有限元分析軟件的控制來實現(xiàn)且自動得出結(jié)果。3.后處理：在得出結(jié)果以后，根據(jù)需要處理后，然后判斷，判斷結(jié)構(gòu)性能的好壞，然后做出相應(yīng)操作。3單級主減速器設(shè)計3.1主減速器基本參數(shù)的設(shè)計過程3.1.1發(fā)動機最大功率汽車發(fā)動機功率計算公式如（3-1）：（3-1）（3-2）3.1.2發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩的計算(3-3)故由式(3-3)求得：；3.1.3確定減速比對于貨車計算貨車的減速比，按(3-4)來確定計算：(3-4)貨車的功率一般來說是比較大的，所以為了功率滿足要求，主減速要比算出的值大四分之一左右，故減速比值取.4主減速器計算載荷的確定從動錐齒輪的計算轉(zhuǎn)矩：算得：(3-5)主動錐齒輪的計算轉(zhuǎn)矩為：(3-8)當(dāng)：=8134.5時=1873。3.2錐齒輪的基本數(shù)據(jù)3.2.1主、從動錐齒輪齒數(shù)本文設(shè)計為貨車，所以主動錐齒輪為應(yīng)該大于6，在次選主動錐齒輪為9，因為傳動比是4.99，所以從動錐齒輪為46。所以=9，=46。3.2.2小大錐齒輪齒面寬、本文中取節(jié)錐齒輪的0.3倍為從動錐齒輪齒面寬，=48，這也符合要求，同時對于弧齒錐齒輪，的110%為，所以。3.2.3錐齒輪基本的數(shù)據(jù)小齒輪齒數(shù)Z19大齒輪齒數(shù)Z246小齒輪齒面寬b152.8大齒輪齒面寬b248大齒輪分度圓直徑D2310大齒輪節(jié)錐距A0159.34大齒輪齒頂高h(yuǎn)21.868大齒輪齒根高h(yuǎn)210.481徑向間隙C1.364大齒輪齒全高h(yuǎn)12.349大齒輪齒工作高.hg10.985大齒輪外圓直徑d02310.854小齒輪的外圓直徑d0191.671圖3-1主動錐齒輪圖3-3行星齒輪圖3-4半軸齒輪3.3器錐齒輪強度計算3.3.1單位齒長圓周力通常來說可以用尺長圓周力來計算齒輪的耐磨性，即(3-11)(3-12)當(dāng)貨車低速行駛時，當(dāng)貨車掛直接換擋變速器時，直接檔：直接換擋變速器（DirectShiftGearbox）也稱為S-Tronic變速器或者雙離合變速器（Double-clutchGearbox），它特殊的地方在于它比別的變速器換擋更快，傳遞的扭矩更大而且效率更高。按驅(qū)動輪打滑的轉(zhuǎn)矩計算時：3.3.2齒根彎曲強度的計算錐齒輪齒根彎曲應(yīng)力：齒輪的輪齒彎曲應(yīng)力綜合系數(shù)，J(小齒輪)=0.3，J(大齒輪)=0.252。對于從動齒輪，當(dāng)時，。3.3.3輪齒的接觸強度錐齒輪輪齒的齒面接觸應(yīng)力為由以上結(jié)果得出，主從動齒輪的齒面接觸應(yīng)力是相同的。對于主動齒輪，當(dāng)，。以上數(shù)據(jù)基本滿足設(shè)計要求，設(shè)計任務(wù)結(jié)束。3.4材料的選擇驅(qū)動橋錐齒輪的工作過程是非常惡劣的，因此錐齒輪材料應(yīng)采用耐磨性高、有韌性、熱處理后變形不大的材料。3.5主減速器的三維模型圖圖3-54一對嚙合齒輪應(yīng)力分析4.1定義單元類型步驟：選擇主菜單，點擊前處理器，定義單元類型，增加或者編輯。4.2設(shè)定材料的類型有限元分析中所有分析都必須知道材料屬性。步驟：選擇主菜單，點擊前處理器，選擇所要分析的材料屬性，材料模型。圖4-1定義材料屬性4.3在有限元中構(gòu)建模型有限元構(gòu)建模型的兩種方法。1)可以直接導(dǎo)入現(xiàn)有的實體模型。2)可直接在軟件中生成。4.3.1將建立的模型導(dǎo)入這里是將建立的實體模型導(dǎo)入到有限元軟件中，如下圖4-2所示。圖4-2主從動齒輪嚙合實體模型4.3.2對實體模型進行網(wǎng)格劃分步驟：點擊/預(yù)處理/嚙合/meshtool/，在彈出的對話框中選擇智能尺寸6級精度如圖4-3meshtool，點擊嚙合，選擇要分割的兩個齒輪。圖4-3劃分網(wǎng)格4.4施加載荷有限元對載荷的限定有約束,支撐等。這里為集中力約束。圖4-4施加載荷4.4.1選擇求解方法步驟：點擊主菜單，解決方案，分析類型，解決方案控件，彈出解決方案控件對話框。4.4.2求解從菜單中選擇求解器后，開始求解，步驟：主菜單，求解，求解，當(dāng)前LS。圖4-5求解4.5計算結(jié)果圖4-6應(yīng)力云圖與應(yīng)變圖結(jié)論5結(jié)論畢業(yè)論文到此已經(jīng)基本結(jié)束，本次論文主要圍繞主減速器的一對嚙合齒輪來進行設(shè)計并通過相關(guān)數(shù)據(jù)計算得出相關(guān)的數(shù)據(jù)，然后通過建模軟件建模，最后通過有限元分析軟件得出結(jié)果。在此次寫作中，使我對有限元分析軟件有了更深刻的了解，讓我受益匪淺。本次畢業(yè)論文的寫作，使我受益匪淺。在論文的寫作過程中，雖然也有很多不懂的地方的，但通過老師的指導(dǎo)，同學(xué)的幫助，并最后圓滿的完成論文。參考文獻[1]何偉.某輕型載貨汽車主減速器器齒輪疲勞壽命仿真與試驗研究[D].吉林大學(xué),2016.[2]朱財龍.汽車驅(qū)動橋主減速器齒輪疲勞壽命研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2010.[3]AKahaman.EffectofAxialVibrationsontheDynamicsofaHelicalGearPair[J].JournalofVibrationandAcoustics,1993,115(1):33-39.[4]MBuechter,CGKlein,CKloeters,etal.DiagnosticDilemmainaPatientwithJaundice:toDifferentiatebetweenAutoimmunePancreatitis,PrimarySclerosingCholangitisandPancreasCarcinoma[J].Casereportsingastroenterology,2012,6(1):206-211.[5]MKang,KahamanA.AnExperimentalandTheoreticalStudyofQuasi-StaticBehaviorofHelicalGearSets[J].JournalofMechanicalDesign,2020,143(4):1-25.[6]HVinayak,RSingh.DynamicanalysisofFlexibleGearsforHighPowerDensityTransmissions[J].Proc.InterGerng94,1994:105-110.[7]HHoujoh,KUmezawa,SMatsumura.VibrationAnalysisofaPairofHelicalGearsMountedonElasticShatfs[J]ASMEPowerTransmissionandGearingConference,1996(88):501-508.[8]KMorikawa,KKumagai,MKomori,etal.TransmissionErrorPredictionMethodofPlanetaryGearsTakingAccountofAlignmentError[J].Jamdsm,2012,6(4):513-525.[9]GuilbaultR,SébastienLalonde,ThomasM.Nonlineardampingcalculationincylindricalgeardynamicmodeling[J].JournalofSound&Vibration,2012,331(9):2110-2128.[10]DMohammed,MRantatalo,Jan-OlovAidanp??.Dynamicmodellingofaone-stagespurgearsystemandvibration-basedtoothcrackdetectionanalysis[J].MechanicalSystemsandSignalProcessing,2015(54-55):293-305.[11]MMohammadpour,STheodossiades,HRahnejat,PKelly.Transmissionefficiencyandnoise,vibrationandharshnessrefinementofdifferentialhypoidgearpairs[J].ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers,PartK:JournalofMulti-bodyDynamics,2014(1):228-237.[12]IKaragiannis,TheodossiadesS,RahnejatH.Onthedynamicsoflubricatedhypoidgears[J].Mechanism&MachineTheory,2012,48(none):94-120.[13]劉春喜.汽車主減速器低噪聲雙曲面齒輪優(yōu)化設(shè)計[D].吉林大學(xué),2006.[14]WangSF,KUmezawa,HHoujoh,SMatsumura.AAnalyticalInvestigationoftheDynamicBehaviorofaHelicalGearsystem[J].ASMEPowerTransmissionandGearingConference,1996(88)176.[15]沈允文,李樹庭,藺天存.齒輪系統(tǒng)減振設(shè)計的結(jié)構(gòu)靈敏度分析[J].機械工程學(xué)報,1996,32(5):13-18.[16]李樹庭,沈允文,藺天存.航空齒輪的動態(tài)設(shè)計[J].航空學(xué)報,1994,15(8):937-941.[17]崔博文,沈允文,劉更,段曉革.航空齒輪系統(tǒng)的動態(tài)特性分析[J].機械科學(xué)與技術(shù)(西安),1997,16(2)271-274.[18]沈允文.齒輪系統(tǒng)減振設(shè)計的結(jié)構(gòu)靈敏度分析[J].機械工程學(xué)報,1996,32(5):13-18.[19]孫智民,沈允文.星型齒輪傳動非線性動力學(xué)建模與動載荷研究[D].航空動力學(xué)報,2001,16(4):402-407.[20]孫智民,沈允文.星形齒輪傳動系統(tǒng)分岔與混沌的研究[J].機械工程學(xué)報,2001,37(12):11-15.[21]孫智民,沈允文.封閉行星齒輪傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性研究[J].機械工程學(xué)報,2002,38(2):44-52.[22]王立華,李潤方,林騰蛟,楊成云.齒輪系統(tǒng)時變剛度和間隙非線性振動特性研究[J].中國機械工程(13):69-72.[23]王立華,李潤方林騰蛟,黃亞宇.弧齒錐齒輪傳動系統(tǒng)的耦合振動分析[J].中國機械工程,2006(14):1431-1434.[24]劉文,林騰蛟,李潤方,廖勇軍.沖擊譜激勵下齒輪系統(tǒng)的動力學(xué)性能[J].重慶大學(xué)學(xué)報,2010(01):7-11.[25]李潤方,王建軍.齒輪系統(tǒng)動力學(xué)[M].科學(xué)出版社,1997.[26]李潤方.齒輪傳遞的剛度分析和修形方法[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,1998.[27]王建軍,李潤方.齒輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子耦合型振動[J].機械科學(xué)與技術(shù)(西安)1996,15(2):231-233.[28]LiangXH,ZuoMJ,HoseiniMR.Vibrationsignalmodelingofaplanetarygearsetforcrackdetection[J].EngineeringFailureAnalysis,2015(48):185-200.[29]LiangXH,Ming,etal.Analyticallyevaluatingtheinfluenceofcrackonthemeshstiffnessofaplanetarygearset[J].MechanismandMachineTheory,2014,76(1):20-38.[30]崔亞輝,劉占生,葉