基于ANSYS的少齒數(shù)齒輪軸應(yīng)力分析*

陳長秀，黨改慧

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院汽車工程學院，陜西西安 710300)

1 引言

少齒數(shù)齒輪傳動(小齒輪齒數(shù)z=2～10)作為漸開線齒輪傳動的重要組成及延伸，有著單級傳動比大、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕等優(yōu)點。目前，國外在摩托車發(fā)動機等產(chǎn)品中已有成熟的應(yīng)用，國內(nèi)在助力車、電動自行車等領(lǐng)域也有應(yīng)用的嘗試［1］。2009年，陜西理工學院的田靜云，張國海，王保民首次提出了基于Pro/E的少齒數(shù)齒輪擬實造型與仿真研究［2］，但關(guān)于少齒數(shù)齒輪嚙合傳動的應(yīng)力計算的研究理論較少，作者建立了少齒數(shù)齒輪傳動的虛擬樣機，進行了運動仿真，并采用ANSYS有限元分析方法對少齒數(shù)齒輪軸的應(yīng)力進行了計算及分析。

2 建立實體模型及虛擬樣機

作者采用Pro/E軟件建立少齒數(shù)齒輪減速器的三維模型，并轉(zhuǎn)化為ANSYS可用的格式。即在Pro/E軟件中先創(chuàng)建出齒輪模型，然后把模型數(shù)據(jù)導入到有限元軟件中，較好的保證數(shù)據(jù)的完整性及一致性。

3 網(wǎng)格劃分

少齒數(shù)齒輪嚙合模型如圖1所示。將三維幾何模型導入ANSYS后，直接對齒輪嚙合實體進行網(wǎng)格劃分。先選擇單元形狀，再選擇網(wǎng)格生成器，設(shè)定單元邊長后選擇需劃分的幾何模型。具體操作如表1所列，齒輪嚙合采用掃掠劃分生成的有限元模型如圖2所示。

表1 齒輪嚙合網(wǎng)格劃分

圖1 齒輪嚙合計算模型

圖2 齒輪嚙合網(wǎng)格劃分結(jié)果

4 設(shè)置邊界條件及加載

邊界條件是有限元分析中不可缺少的部分，劃分網(wǎng)格完成后，就施加邊界條件。在進行齒輪嚙合整體應(yīng)力分析時，其工況主要有:定義一個固定位移，約束齒輪及軸的每個節(jié)點，限制其每個節(jié)點的位移均為零。

齒輪載荷參數(shù)如表2所示，載荷的位置大小及方向設(shè)置及齒輪嚙合荷載如圖3所示。

圖3 齒輪嚙合載荷模型

表2 少齒數(shù)齒輪減速器載荷參數(shù)表

5 定義材料屬性進行分析求解

齒輪靜態(tài)彎曲應(yīng)力有限元計算屬于線性靜力結(jié)構(gòu)分析，初始狀態(tài)下模型的響應(yīng)由線彈性模型確定，材料定義為各向同性，并通過輸入彈性模量、剪切模量和泊松比三個物理特性，來完成材料屬性的定義。材料屬性直接施加到網(wǎng)格單元上。材料參數(shù)如表3所列。

表3 齒輪材料參數(shù)表

完成定義后，提交解算器進行運算分析，生產(chǎn)分析結(jié)果文件。選擇求解線性結(jié)構(gòu)問題的解算器，工況為靜態(tài)。齒輪嚙合整體應(yīng)力計算結(jié)果如表4所列。計算結(jié)果評估:齒輪嚙合最小安全因子滿足要求，最大綜合位移滿足要求。

表4 小齒輪軸應(yīng)力計算結(jié)果 /MPa

6 結(jié)論

通過Pro/E對少齒數(shù)齒輪進行精確地參數(shù)化建模，導入ANSYS中進行網(wǎng)格劃分、加載求解，得到齒輪嚙合的最大等效應(yīng)力、最大主應(yīng)力、齒面接觸應(yīng)力等，對所設(shè)計的少齒數(shù)齒輪傳動的強度進行了驗證。齒輪嚙合最小安全因子滿足要求，最大綜合位移滿足要求，所設(shè)計的少齒數(shù)齒輪傳動有一定的優(yōu)化空間。根據(jù)計算結(jié)論，基于ANSYS的少齒數(shù)齒輪傳動嚙合應(yīng)力分析及強度計算對少齒數(shù)齒輪傳動設(shè)計檢驗、優(yōu)化設(shè)計有一定的理論意義。

［1］ 王保民，張國海，李 鵬.少齒數(shù)漸開線圓柱齒輪傳動研究現(xiàn)狀綜述［J］.陜西理工學院學報，2010，26(1):1-4.

［2］ 田靜云，張國海，王保民.基于Pro/E的少齒數(shù)齒輪擬實造型與仿真研究［J］.陜西理工學院學報，2009(9):130-13.