基于ansys的齿轮副静强度分析毕业论文(编辑修改稿)

基于ansys的齿轮副静强度分析毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

..................................................................................... 30 在 ANSA 中定义圆柱坐标系 ....................................................................................... 30 本章小结 ..................................................................................................................... 31 4 齿轮副静强度有限元分析 ............................................................................................... 32 引言 ........................................................................................................................... 32 有限元软件 ANSYS 概述 .............................................................................................. 32 ANSYS 简介 ........................................................................................................ 32 ANSYS 的特点 ..................................................................................................... 32 ANSYS 的基本组成 .............................................................................................. 33 ANSYS 分析的基本过程 ....................................................................................... 33 ANSYS 中齿轮副静强度分析过程 .................................................................................. 34 导入文件 .......................................................................................................... 34 定义关键字和实常数 ......................................................................................... 34 调整接触对 ....................................................................................................... 34 转换坐标系 ....................................................................................................... 35 施加位移载荷和边界条件 .................................................................................. 35 设置求解选项并求解 ......................................................................................... 35 齿轮副静强度分析查看结果及分析 .................................................................... 35 第一章 绪论 1 1 绪论 齿轮强度分析的研究背景 随着科学技术的进步，现代工业的发展也更加迅速，要求也越来越高。 许多机械设备朝着重载方向发展，而齿轮作为各种机械传动设备中的重要装置，具有传动平稳、承载能力强等优点，一旦齿轮突然失效，往往使用户措手不及，严重影响生产效率，造成极大地经济损失，甚至导致灾难性后果，所以对齿轮强度、寿命、可靠性也提出了更高的要求。 齿轮传动是通过轮齿啮合来传递运动和功率的，大部分的渐开线齿轮啮合是一个很复杂的过程，它涉及到了多齿啮合、多点接触和不同的负载条件。 改善齿轮传动的静态和动态 性能，增强承载能力和可靠性，准确测定轮齿的载荷分布、啮合刚度以及齿面变形与应力是传动设计中的一个重要部分。 由于制造和装配误差以及齿轮加载后弹性变形的影响，产生了振动和噪音，特别是在轮齿啮合的部位。 齿间隙引起的间歇性也影响着齿轮啮合，当齿轮传动在冲击载荷和改变速度时也存在啮合冲击，这种啮合冲击是由轮齿啮合部位的反弹引起的，它会对齿轮系统的动态特性产生不利的影 错误 !未找到引用源。 从齿轮传动装置形式来说，有开式、半开式及闭式之分；从齿轮的使用情况来说，有低速、高速和轻载、重载之分；由于齿轮材料的性能及热 处理工艺的不同，轮齿有较脆齿轮或较韧齿轮，按齿面硬度分有硬齿面齿轮和软齿面齿轮等。 由于上述各种条件的不同，齿轮传动也就有了不同的失效形式，主要表现为：齿面点蚀和剥落，轮齿弯曲疲劳折断，齿面发生过度磨损和塑性变形等形式，如图 所示。 其中轮齿疲劳折断和接触疲劳失效占有相当大的比例。 因此研究齿轮失效的特性，延长齿轮的使用寿命，提高传动的稳定性是十分必要 错误 !未找到引用源。 齿轮最常见的失效形式是齿面疲劳点蚀和轮齿折断。 齿面点蚀是闭式齿轮传动经常出现的一种损坏形式。 因为闭式齿轮传动的齿轮在润滑油中工作 ，齿面长期受到脉动的接触应力作用，会逐渐产生大量与齿面成尖角的小裂缝。 而裂缝中充满了润滑油，啮合时由于齿面互相挤压，裂缝中油压升高，使裂缝继续扩展，最后导致齿面表层一块块剥落，齿面出现大量扇形小麻点，此即齿面点蚀。 它会使齿形误差加大，产生动载荷，并可能导致轮齿折 错误 !未找到引用源。 理论上靠近节圆的根部齿面处要较靠近节圆顶部齿面处点蚀更严重；互相啮合的齿轮副中，主动的小齿轮点蚀较严重。 齿轮疲劳是指结构在承载低于其极限载荷力的工作载荷反复作用下发生破坏的现象，失效形式主要为轮齿疲劳断裂。 对于硬齿面齿轮 ，其失效形式主要是轮齿疲劳断裂，在正常情况下，齿根断裂主要是由齿根弯曲疲劳形成的。 齿轮在啮合过程中，轮齿表面基于 ANSYS 的齿轮副静强度分析 2 将承受集中载荷的作用。 轮齿相当于悬臂梁，根部弯曲应力很大，过渡圆角处又有应力集中，故轮齿根部很容易发生断裂。 折断有两种情况：一是轮齿受足够大的突然载荷冲击作用导致发生断裂；二是受多次重复载荷的作用，齿根受拉面的最大应力区出现疲劳裂缝，裂缝逐渐扩展到一定深度，轮齿突然折断。 变速箱齿轮折断多数是疲劳破坏。 一般由于产生疲劳折断的载荷小于齿轮本身所能承受的屈服应力和强度极限，所以疲劳破坏不容易预防，发生突然， 破坏性也 错误 !未找到引用源。 点蚀 疲劳折断 过度磨损 塑性变形 图 因此，科学准确的预测出齿轮的疲劳寿命和开展齿轮疲劳分析及研究，可对齿轮的适时维护和更换提供理论指导，对于提高工作效率，保证安全生产，提高企业的经济效益，都具有重要的意义。 传统理论分析齿轮间接触问题 经典方法研究齿轮强度， 主要研究的是接触强度和弯曲强度。 齿轮强度分析包括轮齿面接触应力分析和轮齿许用接触应力分析；变速器齿轮弯曲强度分析包括齿根应力分析和许用齿根应力分析。 轮齿接触问题是一种高度的非线性问题，涉及到复杂的动力学、表面技术、材料科学等方面的工程背景，斜齿轮又由于其接触的复杂性，求解啮合状态下的接触应力还是一个比较难的问题，早期的研究是建立在赫兹理论基础上的近似 错误 !第一章 绪论 3 未找到引用源。 传统齿轮接触应力的计算公式是以两个圆柱体接触的接触应力公式为基础，结合齿轮的参数而导出的。 1881 年赫兹导出了弹性圆柱体接触表面最 大接触应力的计算公式如式 11 所示： m a x 221212111HFLEE （ 11） 式中： F— 法向压力， N L— 接触线长度， mm 错误 !未找到引用源。 ， 错误 !未找到引用源。 — 2 圆柱体材料的泊松比 错误 !未找到引用源。 ， 错误 !未找到引用源。 — 2 圆柱体材料的弹性模量， MPa 错误 !未找到引用源。 — 当量曲率半径， mm 以上公式基于下边几种假设： 1） 两圆柱体为无线长、均质 的、各向同性的弹性体； 2） 变形后的接触面积与圆柱体表面积相比较是极其微小的； 3）作用力是静载荷，与接触面垂直，并且沿圆柱体的长度方向均匀分布。 由渐开线的性质可知，渐开线的曲率是不断变化的，因此，一对齿廓接触点的曲率半径 错误 !未找到引用源。 是变化的，而且轮齿处在单齿和双齿所受的载荷也不同，所以一对轮齿啮合时的接触应力随啮合点的位置变化而变化。 实际计算中是以节点啮合为计算位置的，因为该位置计算方便，并且接触应力也与最大点差别不大。 从而得到齿轮的接触应力计算公式如式 12 所示： 112 1 1s in c o s ttH E E HK F K FZ Z Z Z Zb d b d      （ 12） 221212111EZEE  （ 13） 24s i n c o s s i n 2HZ    （ 14） 其中： 错误 !未找到引用源。 — 弹性系数 错误 !未找到引用源。 — 节点区域系数 错基于 ANSYS 的齿轮副静强度分析 4 误 !未找到引用源。 — 重合度系数 错误 !未找到引用源。 — 传动比 K— 载荷系数 由上述公式可近似算出危险点处的接触应力，其余地方无法比较准确的计算出，赫兹接触模型还是具有一定的粗略性，只能粗略计算，无法达到精确计算的要求，更无法对齿轮进行优化。 利用有限元法分析齿轮间接触问题 近几十年来，计算机的广泛使用为有限元法在工程技术上的应用开辟了广阔的前景。 对齿轮间接触问题的研究计算，与传统方法相比，有限元法具有快速、准确可靠、计算灵活等优 错误 !未找到引用源。 它在知道齿轮的几何参数、材料物理特性、载荷及边界条件等之后，就能通过单元分割，将轮齿划分 成很多小单元，分块插值，直接计算出齿上的应力分布，而不需要去作轮齿的危险截面假定和齿形系数、应力集中的繁琐计算。 有限元分析（ Finite Element Analysis， FEA）是 利用数学近似的方法对真实物理系 统（几何和载荷工况）进行模拟 ， 用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。 它将求解域看成是由许多小的有限个互连子域组成，对每一个单元假定一个合适的近似解，然后推导出求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。 有限元求解问题的基本步骤通常为： 1）问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理 性质和几何区域。 2）求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状并且彼此相连的有限个单元组成的离散域，即就是有限元网格划分。 3）确定形态变量和控制方法：一般一个具体的物理问题可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为泛函形式。 4）单元推导：推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵。 为保证单元求解的收敛性，单元形状最好为规则的，内角避免出现钝角，避免出现畸形，因为畸形不仅精度 低，而且有缺秩的危险，导致无法求解。 5）总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵返程，反应对近似求解域的离散域的要求，即就是单元函数的连续性要满足一定的连续条件。 总装是在相邻单元节点之。