“S”形齒輪參數(shù)化設(shè)計及有限元分析*

張 健，陳 琳，張 祺，起雪梅

（攀枝花學(xué)院交通與汽車工程學(xué)院，四川攀枝花 617000）

“S”形齒輪參數(shù)化設(shè)計及有限元分析*

張 健，陳 琳，張 祺，起雪梅

（攀枝花學(xué)院交通與汽車工程學(xué)院，四川攀枝花 617000）

“S”形齒輪作為一種具有新型齒廓的齒輪，目前有關(guān)研究很少。通過分析“S”形齒輪的齒廓結(jié)構(gòu)特點，以其齒廓曲線方程為基礎(chǔ)，給出了“S”形齒輪的參數(shù)化建模方法。基于Pro/E平臺編制生成“S”形齒輪齒廓的參數(shù)化程序，利用笛卡爾坐標(biāo)方程曲線以及實體化特征操作，實現(xiàn)了“S”形齒輪的三維參數(shù)化模型的構(gòu)建。采用Pro/E集成的有限元模塊Pro/MECHANICA建立了“S”形齒輪的有限元分析模型，得到靜態(tài)分析、失穩(wěn)分析、模態(tài)分析受力云圖，并將其與漸開線齒輪進(jìn)行了接觸應(yīng)力對比分析。分析結(jié)果表明，“S”形齒輪具有傳動精度高、承載能力大等優(yōu)點。

“S”形齒輪；Pro/E；參數(shù)化建模；有限元

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)中齒輪傳動向著高速、重載方向發(fā)展［1-2］，傳統(tǒng)齒輪已經(jīng)不能適應(yīng)某些特殊場合的使用，于是不斷有新型齒輪被提出。2012年，李海翔等人提出了一種具有新型齒廓的“S”形齒輪，并做了力學(xué)特性分析［3］。“S”形齒輪作為一種具有新型齒廓的齒輪，目前對其所作的研究甚少，針對此種情形，采用了一種基于Pro/E的“S”形齒輪的參數(shù)化設(shè)計方法，快速建立“S”形齒輪模型。基于“S”形齒輪的齒廓曲線方程，結(jié)合三維參數(shù)化建模軟件Pro/E自身提供的笛卡爾坐標(biāo)方程曲線以及實體化特征操作，構(gòu)建“S”形齒輪的三維參數(shù)化模型。同時，為克服不同軟件之間數(shù)據(jù)交換間的局限性，提高有限元分析效率，直接利用Pro/E軟件集成的有限元分析模塊對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析［4-6］。然后，將“S”形齒輪與傳統(tǒng)漸開線齒輪進(jìn)行接觸應(yīng)力對比研究，以期為設(shè)計和使用提供參考。

1 “S”形齒輪參數(shù)化建模

1.1 “S”形齒輪齒廓曲線方程

新型的“S”形齒輪綜合了傳統(tǒng)漸開線齒輪和雙圓弧齒輪的特點，其齒廓由兩凹凸相對的圓弧和中間連接圓弧的一段漸開線組合而成，形成“S”形狀。

（1）凹圓弧部分方程

1.2 “S”形齒輪的參數(shù)編寫

1.2.1 “S”形齒輪的基本參數(shù)

研究的“S”形齒輪的基本參數(shù)如表1所示。

表1 “S”形齒輪的基本參數(shù)

1.2.2 建立“S”形齒輪曲線

“S”形齒輪由于曲面復(fù)雜難以用常規(guī)二維視圖表達(dá)，在“S”形齒輪齒廓曲線方程的基礎(chǔ)上，借助三維造型軟件Pro/E5.0進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，編寫曲線程序驅(qū)動生成曲線。

（1）建立凹圓弧部分方程

1）新建.prt文件，打開Pro/E三維繪圖軟件，新建→零件→實體，建立文件。

2）繪制廓面曲線，曲線→從方程→完成，此時彈出【菜單管理器】，并提示選取坐標(biāo)，點取桌面上的坐標(biāo)后，再在【菜單管理器】中選取【笛卡爾】，然后在彈出的記事本中輸入繪圖程序1。

程序1：

（3）建立漸開線部分方程

同理，在笛卡爾坐標(biāo)系中輸入部分漸開線參數(shù)方程：

程序3：

1.2.3 建立“S”形齒輪曲線實體模型

利用Pro/E5.0強大的曲面造型功能，通過編寫曲線程序驅(qū)動生成的曲線生成“S”形齒輪的工作曲面，再利用掃描混合命令實體化，最后通過陣列命令生成“S”形齒輪，如圖1所示。建立后的齒輪模型已經(jīng)參數(shù)化，通過更改基本參數(shù)，可以快速生成需要的“S”形齒輪。

圖1 “S”形齒輪的實體模型

2 “S”形齒輪的有限元分析及與漸開線齒輪的對比

2.1 分析思想

采用Pro/E5.0集成的有限元模塊Pro/MECHANICA對“S”形齒輪進(jìn)行力學(xué)特性分析。Pro/MECHANICA環(huán)境下可以創(chuàng)建模型、分析模型、并優(yōu)化模型，該種模式下面又包含軟件自帶模式和FEM（Finite ElementMode）。在此主要是利用自帶模式完成“S”形齒輪的輪廓的靜態(tài)分析、模態(tài)分析和失穩(wěn)分析。

（1）根據(jù)圣維南定理，由于載荷在輪體徑向的影響范圍大致為一個齒高2m～3m（m為輪齒的模數(shù)），周向的影響范圍約為三個齒，在超出這個范圍后，應(yīng)力就變得很小，對兩側(cè)齒之間各節(jié)點位移的影響非常?。?］。因此，取相鄰齒廓的中線作為零位移邊界，采用Pro/E5.0集成的有限元模塊Pro/MECHANICA的自帶模式劃分網(wǎng)格。

（2）為了更好地研究“S”形齒輪的分析結(jié)果，需同時完成漸開線齒輪的分析并進(jìn)行對比。為使結(jié)果具有可比性，取“S”形齒輪、漸開線斜齒輪大齒輪和小齒輪齒數(shù)分別為30和8，齒厚、齒寬以及外載荷均相同。由于現(xiàn)階段對傳統(tǒng)漸開線齒輪的分析研究已比較成熟，漸開線齒輪的建模過程［8-10］略。

2.2 分析準(zhǔn)備

（1）理想化模型。有限元分析取相鄰齒廓的中線作為零位移邊界，因此創(chuàng)建過相鄰齒廓的中線的“基準(zhǔn)平面”，進(jìn)行實體化，得到一個完整的齒，從而創(chuàng)建出有限元基本模型。實體化模型簡化了模型的復(fù)雜程度，減少了其它約束參數(shù)對模型有限元分析的影響，使得有限元分析效率提高。

（2）添加材料。添加材料包括材料的定義和材料的指定。在利用有限元分析法計算應(yīng)力時，必須定義模型材料并把所定義的材料指定給模型，這樣才能對齒輪的實際應(yīng)力情況進(jìn)行有限元分析。材料鋼的密度為7.82708×109tonne/mm3、泊松比0.27、楊氏模量199948MPa、熱膨脹系1.17×105sec/mm。

（3）添加約束和載荷。添加約束即限制模型的自由度，使得模型的某些方面的運動被限制，便于添加載荷，利用約束集（ConstrainSet1）命令中的“位移約束”工具對模型的面進(jìn)行約束。添加載荷的大小是齒輪實際運動中受力的大小，只有兩者相符合，才能模擬分析出齒輪實際工作中的受力情況。由于實際中齒輪的嚙合是線接觸的，斜齒嚙合時接觸線由短變長再變短，因此添加線載荷，載荷集（LoadSet1）的軌跡曲線是分度曲圓柱與齒的交線。力為Fx=-171，F(xiàn)y=0，F(xiàn)z= -470［mm kg/sec2］，力矩為Mx=0，My=60000，Mz= 0［mm2kg/sec2］。

2.3 有限元分析結(jié)果

應(yīng)用Pro/MECHANICA模塊劃分網(wǎng)格后，在菜單欄的分析工具進(jìn)入“MECHANICA分析/研究”，在彈出“分析和設(shè)計研究”對話框中單擊“文件”→“新建靜態(tài)分析”命令，彈出“靜態(tài)分析定義”對話框，創(chuàng)建“analysis1”分析文件，完成后單擊“開始運行”按鈕，系統(tǒng)自動進(jìn)行檢測和分析。重復(fù)上面步驟建立模態(tài)分析和失穩(wěn)分析。“S”形齒輪、漸開線斜齒輪靜態(tài)分析受力云圖如圖2、圖3所示，“S”形齒輪失穩(wěn)分析、模態(tài)分析如圖4所示。

圖2 小齒輪靜態(tài)分析受力云圖

圖3 大齒輪靜態(tài)分析受力云圖

圖4 小齒輪失穩(wěn)分析和模態(tài)分析

“S”形大小齒輪以及漸開線大小齒輪的應(yīng)力分布狀況符合力學(xué)的一般規(guī)律，即在接觸區(qū)應(yīng)力較大，同時應(yīng)力變化也較劇烈，在幾何突變（齒根）處有應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，認(rèn)為該有限元分析結(jié)果能夠反映齒輪副的力學(xué)特性。

從圖2a與圖3a、圖2b圖與圖3b對比可知，相同的工作狀況下，小齒輪受力情況比大齒輪明顯，即大齒輪的承載能力比小齒輪的大，在這里就只列出了小齒輪的模態(tài)分析受力云圖和失穩(wěn)分析受力云圖。為了進(jìn)一步對比“S”形齒輪和漸開線齒輪的承載能力，對不同直徑分度圓的“S”形齒輪和漸開線齒輪的應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果如圖5所示。

圖5 應(yīng)力結(jié)果對比

從圖2a、圖2b與圖3a、圖3b以及圖5對比可知，相同的工況下，“S”形齒輪的承載能力比漸開線齒輪的好?！癝”形齒輪在漸開線部分的接觸應(yīng)力明顯，但在齒頂處接觸應(yīng)力以及齒根處的彎曲應(yīng)力不明顯。通過對“S”形齒輪小齒輪和漸開線斜齒輪小齒輪的對比可以看出，相對于“S”形齒輪，漸開線斜齒輪在齒根處的彎曲應(yīng)力更惡劣一些?！癝”形齒輪小齒輪在齒根處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，而對于漸開線斜齒輪小齒輪從接觸區(qū)一直到齒根，都有較大的應(yīng)力，并且齒根彎曲應(yīng)力集中較為嚴(yán)重。

2.4 有限元分析結(jié)論

（1）小齒輪齒根彎曲應(yīng)力集中情況比大齒輪的更惡劣，這是由于小齒輪比大齒輪分度圓半徑小，通過對不同分度圓的齒輪進(jìn)行了應(yīng)力分析并得其分析結(jié)果。由此可以推論，對“S”形齒輪而言，分度圓曲率半徑的增大會對其力學(xué)性能有所改善。驗證了文獻(xiàn)［3］結(jié)論的正確性。

（2）相比較而言，由于“S”形齒輪中間連接圓弧的一段漸開線的存在，接觸應(yīng)力仍然很大，但是由于齒根和齒頂是兩段凹凸相對的圓弧，在非漸開線區(qū)域，齒輪的接觸應(yīng)力比較小，齒根彎曲應(yīng)力同樣也很小，并且應(yīng)力集中現(xiàn)象也不明顯，說明“S”形齒輪承載能力比標(biāo)準(zhǔn)漸開線斜齒輪強。

3 結(jié)束語

（1）針對新型“S”形齒輪的齒形結(jié)構(gòu)特點，以齒廓曲線方程為基礎(chǔ)，給出了具有新型齒廓的“S”形齒輪的參數(shù)化建模方法，基于Pro/E平臺實現(xiàn)了“S”形齒輪的三維參數(shù)化模型的構(gòu)建。

（2）利用Pro/E集成的有限元模塊Pro/MECHANICA精確建立了“S”形齒輪的有限元模型，得到靜態(tài)分析受力云圖，并將其與漸開線齒輪進(jìn)行了接觸應(yīng)力對比分析，得出結(jié)論。結(jié)合模態(tài)分析計算和失穩(wěn)分析計算，可分析計算出共振、過早出現(xiàn)疲勞破壞的極值點以及失穩(wěn)極限點。進(jìn)而尋找齒輪廓面的敏感部位以改進(jìn)設(shè)計，改善齒輪的力學(xué)特性。

（3）“S”形齒為一種漸開線齒輪和雙圓弧齒輪的綜合變體，它具有漸開線齒輪傳動準(zhǔn)確的優(yōu)點，又有雙圓弧齒輪承載能力大的好處，同時它可以取小的齒數(shù)，這對實現(xiàn)齒輪傳動裝置的輕量化具有重要意義?！癝”形齒輪是一種可應(yīng)用于高效重載荷場合的新型齒輪，有發(fā)展?jié)摿?，對其實際傳動特性可進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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（編輯 李秀敏）

Parametric Design and Finite Element Analysis of＂S＂-shaPed Gear

ZHANG Jian，CHEN Lin，ZHANG Qi，QI Xue-mei
（School of Transportation and Automobile Engineering，Panzhihua University，Panzhihua Sichuan 617000，China）

As a kind gear having a new gear tooth profile，at present，the current researches on＂S＂-shaped gear are very little.By analyzing the structure characteristics of tooth profile of＂S＂shaped gear，Parametric modeling approach was given based on its tooth profile curve equation.＂S＂shaped gear parametric program was created in Pro/E，and three-dimensional parametric model of＂S＂shaped gear was established by using Cartesian equations curve and operating materialized characteristics.Finally by using integrated finite element module Pro/MECHANICA in Pro/E to establish the finite element analysis model of＂S＂shaped gear we could get the stress cloud about static analysis，buckling analysis，modal analysis. Then，we made comparison about the contact stress of＂S＂shaped gear to the involute gear.The analysis results showed that，＂S＂shaped gear had the advantages of high transmission precision，bearing large capacity.

＂S＂shaped gear；Pro/E；parametric modeling；finite element

TH166；TG659

A

1001-2265（2015）03-0044-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.03.012

2014-05-04；

2014-10-04

攀枝花學(xué)院校級科研課題（2013YB48）

張健（1981—），男，遼寧阜新人，攀枝花學(xué)院副教授，工學(xué)碩士，研究方向為機械設(shè)計、機械評價，（E-mail）zhangjianpzh@126.com。