基于ANSYS的增速齒輪箱兩級(jí)定軸斜齒輪有限元分析

張耀丹

摘 要：文章以兩級(jí)平行軸加一級(jí)行星結(jié)構(gòu)的增速齒輪箱為研究對象，通過SOLIDWORKS進(jìn)行三維建模，對兩級(jí)定軸斜齒輪進(jìn)行受力分析，計(jì)算圓周力和齒面法力，以及最惡加載面的載荷，最后通過ANSYS進(jìn)行有限元分析，對高速小齒輪2和4進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證了齒輪強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：增速箱;兩級(jí)定軸斜齒輪;ANSYS有限元分析

中圖分類號(hào)：U467 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）06-84-03

Abstract： This paper takes the increasing gear box with a one-stage planet and a two-stage parallel shaft structure as the research object.Carry out 3d modeling through SOLIDWORKS. The force analysis of two-stage fixed-shaft helical gear was carried out to calculate the circumference force， the normal force of tooth surface and the load of the worst loading surface. Finally， the finite element analysis was conducted through ANSYS. The finite element analysis of high speed pinion gear 2 and 4 verifies that the gear strength meets the design requirements.

Keywords： Increasing gear box; Two stage fixed shaft helical gear; ANSYS

CLC NO.： U467 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）06-84-03

引言

齒輪增速箱是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的重要組成部分，齒輪箱損壞導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組故障是世界性問題[1-5]。本文將以一種增速齒輪箱為研究對象，應(yīng)用ANSYS軟件兩級(jí)定軸傳動(dòng)部分的高速小齒輪2和4進(jìn)行有限元分析，對相關(guān)齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析校核，從而驗(yàn)證齒輪強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

1 設(shè)計(jì)建模

本文將以某種增速齒輪箱為例，該齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)采用兩級(jí)定軸斜齒輪傳動(dòng)和一級(jí)行星齒輪傳動(dòng)，其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示[6]。

通過SOLIDWORKS建模，應(yīng)用ANSYS對兩級(jí)定軸斜齒輪中的高速小齒輪2和4進(jìn)行有限元分析。嚙合過程中的同一時(shí)間點(diǎn)，相互嚙合齒輪受載的輪齒數(shù)由重合度決定。齒輪的材料為合金鋼，材料屬性彈性模量E為210GPa，泊松比μ為0.27[6]。

設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，其他參數(shù)：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定功率為1.5MW，轉(zhuǎn)子直徑70m，設(shè)計(jì)風(fēng)速13m/s，葉尖速比4.17，風(fēng)密度1.21kg/m3，風(fēng)能利用系數(shù)0.29，壽命15年，總傳動(dòng)比為95，齒輪精度等級(jí)6，內(nèi)齒輪材料為40CrMo，調(diào)質(zhì);其余材料為17CrNiMo6，滲碳淬火。

2 斜齒輪2的有限元分析

2.1 有限元模型與最惡加載線的確定

由于斜齒輪輪齒在嚙合過程中是逐步進(jìn)入和逐步脫離的，因此其總的接觸線長度是隨著嚙合點(diǎn)的變化而不斷改變的。對于單個(gè)輪齒，最惡加載線的位置就決定了齒根的最大應(yīng)力。最惡加載線的位置取決于輪齒的嚙合位置和接觸線上的載荷分布，接觸線上的載荷分布與輪齒的制造誤差、裝配誤差、齒輪變形等諸多因素有關(guān)，而這些因素往往是不易確定的，因此，將載荷分布簡化為沿嚙合線均勻分布，最惡加載線位置取決于嚙合位置[7]。根據(jù)文獻(xiàn)[8]確定最惡加載線，本文把接觸線擴(kuò)展為一條很窄的接觸帶，把力轉(zhuǎn)換成表面載荷施加在接觸帶上。因此，齒輪2的三維模型與最惡加載線如圖2所示。

4 結(jié)論

本文通過SOLIDWORKS建模，計(jì)算施加載荷并確定施加位置，隨后導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行有限元分析。分析結(jié)果顯示，兩級(jí)定軸部分的小斜齒輪齒根彎曲應(yīng)力均小于許用值，驗(yàn)證了齒輪強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)是安全可靠的。

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