基于ANSYS对塑料齿轮的结构静力学分析

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1、务l生匐似基于ANSYS对塑料齿轮的结构静力学分析Staticanalysisofplasticgearstructurebasedonansys郑正，雷君相，罗宇舟ZHENGZheng．LEIJun—xiang，LU0Yu—zhou(上海理工大学机械工程学院，上海200090)摘要：基于ANSYS对塑料齿轮的静力学分析，得到了在给定参数下塑料齿轮的一些静力学结果，验证了理论上塑料齿轮最容易疲劳失效的部位，对实际的分析具有一定的价值。关键词：ANSYS；塑料齿轮；静力学分析中图分类号：TP391文献标

2、识码：B文章编号：1009—0134(2010)05—0163-040引言渐开线，从而保证齿轮的正确啮合。引起齿轮轮齿折断的因素比较复杂。在传齿轮传动是机械传动中应用最广泛的一种传动机构设计合理、正常使用的情况下，塑料齿轮动方式。自从1935年研制成功纤维尼龙以来，高的使用寿命主要与齿轮的材料和制作成型工艺有分子合成材料工业迅速发展，塑料作为一种新型的关。对于工作时承受一定的负荷、转速较高的传齿轮材料已经得到了广泛的应用。与金属材料相动机构中的小模数齿轮，在使用过程中出现轮齿比，塑料在成本、设计、加工

3、和性能上具有很多优折断，从齿轮设计、制造过程分析原因一般有：势。塑料成型设计的自由度保证了更高效的齿轮1)齿轮表面及内部成型存在微小缺陷；2)齿轮制造，可以用塑料成型内齿轮、齿轮组、蜗轮等产材料的内部应力高，引起齿轮变形而导致疲劳断品，而这些产品很难以一个合理的价格使用金属材齿；3)制件成型收缩程度估计或实验数据不准料来成型。确，造成齿轮齿廓变形为非渐开线形式，轮齿不塑料制造的齿轮一般不需要二次加工，且相能正常进入啮合状态引起断齿；4)齿轮设计强度对于冲压、机造金属齿轮在成本上可降低50％～不足，对此

4、只要重新设计演算齿轮强度即可解决。90％。塑料齿轮还比金属齿轮轻、惰性好，可用其余三个方面原因主要与齿轮制造质量有关。在金属齿轮易腐蚀、退化的环境中，例如水表和化学设备的控制。塑料齿轮的应用领域比金属齿轮2塑料齿轮的静力学分析宽，它们推动了齿轮朝着承受更高负荷、传送更大2．1塑料齿轮的几何模型建立动力的方向发展。本文研究对象为小模数的塑料齿轮。实验1塑料齿轮的失效形式及对策选用的塑料齿轮为某公司复印机上用齿轮，为根据对某制造企业塑料齿轮失效形式的实验标准渐开线圆柱直齿轮，其基本参数为：模数结果分析，齿

5、轮失效一般有两种形式：齿轮齿顶m=0．8ram，齿数z=58，分度圆压力角a=20。，齿部分的磨损；齿轮轮齿折断。其中齿轮齿项磨损厚b=5mm，腹板厚2mm，齿顶高系数ha=l，顶隙是由于设计过程中对齿轮齿形选择以及传动机构系数c=O．35。ANSYS本身提供了强大的实体几何结构设计不合理，引起齿顶部分强度不足，导致建模功能，可以像一般的CAD软件一样创建几何齿轮在传动过程中过早失效。针对这一情形的改模型。故本文直接采用ANSYS的模型建立功能，进措施：首先合理选择齿轮齿形，在传动载荷较建立塑料齿轮3

6、D模型，如图1所示。大的情况下，齿轮的压力角应优先选择20。，以2。2单元类型、材料属性和划分网格保证齿顶的强度；其次传动结构设计要充分考虑2．2．1单元类型选择配合的精度要求，配合间隙要选择合理，同时要确定有限元单元类型对有限元分析来说非常兼顾塑料制件的成型收缩因素，确保齿轮齿廓为重要，单元类型的选择不仅影响到网格的合理划收稿日期：2009-10-07lE者简fr：郑正(1962一)，男，硕士研究生，研究方向为材料成形和模具CAD／CAM／CAE。第32卷第5期2010—5[1631务l．8出图1塑

7、料齿轮模型图2塑料齿轮网格模型分，而且关键是对求解的精度影响很大]。考虑到施加边界约束条件是有限元分析过程中的重齿轮齿型的复杂程度、精度要求以及计算求解时要一环。边界条件是根据物理模型的实际工况在间等实际因素，采用Solid95是空间实体单元，适有限元分析模型边界节点上施加的必要约束。用于曲线边界的建模，具有塑性、蠕变、应力强边界约束条件的准确度直接影响有限元分析的结化、大变形和大应变功能。该单元有20个节点，果。在有限元分析中确定边界条件一般应做到以每个节点有Z、y和z方向3个平动自由度。下几条：要

8、施加足够的约束，保证模型不产生刚2_2_2添加材料常数体位移；施加的边界条件必须符合物理模型的实可以成型塑料齿轮的材料非常多，其中应用际工况；力求简单直观，便于计算分析。最广泛的是聚甲醛(POM){I尼龙(PA)。这是因为2．3．1施加位移约束它们具有较非结晶态塑料更优良的抗疲劳性、高分别对x、Y、z三个方向上的平动和转动进行强度、高耐磨性等特点。但尼龙具有较强的吸湿约束。性，及由此引起塑件的性能和尺寸变化，而聚甲2．3．2施加约束载荷醛成型收缩率大，不