磁力齒輪結構的有限元分析研究

吳真昱　黃瑤　廖斌

摘? 要：傳統(tǒng)嚙合傳動式齒輪在工作中由于接觸磨損，容易產(chǎn)生磨損，進而導致失效，磁力齒輪可解決以上問題。本文對磁力齒輪進行有限元分析，在滿足強度和負載的前提下，對磁力齒輪的結構進行優(yōu)化，以達到減重的目的，并得出一種磁力齒輪新型的結構優(yōu)化方法。

關鍵詞：磁力齒輪;有限元分析;優(yōu)化

引言

在現(xiàn)代化設備生產(chǎn)過程中，齒輪傳動被廣泛應用于各個環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的接觸嚙合式齒輪在嚙合傳動時，兩漸開線齒廓之間會產(chǎn)生一定的相對滑動，從而在載荷的作用下，齒面之間的灰塵和硬屑粒會進入齒輪之間的嚙合部位，從而引起齒輪之間的磨損。因此，如何減少或防止齒輪之間的磨損，延長齒輪的使用壽命，是亟待解決的問題。

針對齒輪之間的磨損問題，可以采用永磁片的同級互斥原理，將永磁片鑲嵌在齒的兩邊，實現(xiàn)非接觸式傳動。然而，磁力齒輪是依靠磁力實現(xiàn)傳動，那么齒輪本身的重量對傳動過程就會一定的影響。因此，如何在保證強度的前提下，對磁力齒輪的結構進行優(yōu)化，以達到減重的目的，是保證磁力齒輪穩(wěn)定傳動亟待解決的問題。

本文通過建立三維模型，對磁力齒輪進行有限元分析，從減重的方向出發(fā)，在滿足強度的要求下，對磁力齒輪進行結構的優(yōu)化，得到一種磁力齒輪新型的結構優(yōu)化方法。

1磁力齒輪模型建立

磁力齒輪需要在輪齒的兩側嵌入永磁片，因此輪齒的側面設計成平面。同時，為了簡化模型，方便進行分析過程中網(wǎng)格的劃分，在不影響結果的前提上，將輪齒的側面設計成整塊平面，去掉齒輪的鍵槽。模型的齒根圓直徑50mm，齒頂圓直徑70mm，厚度10mm。磁力齒輪的材料采用的是X6Cr13不銹鋼，該材料的具體屬性參數(shù)見表1。

2 基于有限元法的磁力齒輪強度計算

為了確保磁力齒輪安全可靠的工作，下面用SolidWorks simulation對磁力齒輪進行應力和應變分析，并進行優(yōu)化。

2.1 網(wǎng)格劃分

將磁力齒輪的模型導入有限元軟件SolidWorks simulation中，并對磁力齒輪進行網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格密度選擇到良好，雅可比點選擇4點，標準網(wǎng)格下的網(wǎng)格參數(shù)，整體大小為1.82779895mm，公差為0.09138995mm。劃分后的網(wǎng)格圖如圖1所示。

2.2 夾具添加

磁力齒輪在工作時，可以將磁力齒輪與轉(zhuǎn)軸接觸的圓環(huán)面看做是固定面，于是在圓環(huán)面上添加夾具，將其固定。磁力齒輪添加夾具后示意圖如圖2所示。

2.3 外部載荷添加

要想對磁力齒輪的強度進行分析，就必須分析極限工作狀態(tài)下的受力，磁力齒輪極限工作狀態(tài)下的受力與傳統(tǒng)嚙合型齒輪不同，磁力齒輪是在主動輪的一個齒在從動輪的兩個齒中間位置的時候達到極限工作狀態(tài)，此時的從動輪的兩個齒分別受到方向不同，大小相等的力。分別添加兩個100N的力，受力示意圖如圖3所示。

2.4 結果分析

基于SolidWorks simulation對磁力齒輪進行應力分析，得出的結果如圖4所示。

屈服力為2.3e+8N，由圖上數(shù)據(jù)可以看出該磁力齒輪最大應力處在屈服極限內(nèi)，并且有的網(wǎng)格部分受到的應力并不大，可以進行切割優(yōu)化。

3 磁力齒輪結構優(yōu)化

對所受應力較小的網(wǎng)格部分進行剔除，再次劃分網(wǎng)格、添加夾具、添加載荷，再次對結構優(yōu)化后的磁力齒輪進行應力分析。得到的結果如圖5所示，由圖我們可以發(fā)現(xiàn)，磁力齒輪最大應力處仍在屈服極限內(nèi)，所以本次結構優(yōu)化符合要求。

4 結語

本文對磁力齒輪進行了有限元分析，提出了磁力齒輪不同于傳統(tǒng)嚙合齒輪的外部載荷添加方法，得出了一種新型的磁力齒輪結構，為磁力齒輪的結構發(fā)展提供了一種簡便、有效的優(yōu)化方案。

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