基于workbench的圆锥直齿轮静接触应力分析

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1、万方数据文章编号：1006—3269(2011)01--0024--06基于Workbench的圆锥直齿轮静接触应力分析吴文秀，刘威，周丰，何志辉(长江大学机械工程学院，湖北荆州434023)摘要：以某机床主轴正交传动直齿锥齿轮为对象，利用Catia建立实体模型。并导入有限元软件Ansyswork—bench来定义材料属性，通过网格划分及约束条件等有限元分析方法研究了机床主轴传动锥齿轮静接触应力．对比传统经验公式计算的结果，发现仿真分析结果与传统经验的计算结果吻合较好，从而验证了利用Workben

2、ch分析直齿轮静接触应力的合理性和可行性．关键词：直齿锥齿轮；静接触应力；有限元分析；Workbench中图分类号：THl32．421文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1006—3269．2011．01．006圆锥齿轮是现代生产中非常重要的传动部件之一，具有结构紧凑、传动平稳、工作町靠、寿命长等特点⋯，广泛应用于车辆、机床及其他动力和传动装置上．而正交转动的直齿轮具有制造容易，成本低，适用于低速轻载而稳定的传动．齿轮的传动动力和运动是通过轮齿共轭齿面间的相互作用来传递的，每一次传

3、递过程都伴随着一对或多对齿而啮合，在变化着的接触应力作用下，齿面材料就会出现点蚀，齿面上最初出现针尖大小的麻点，如果工作条件得不到很好改善，麻点就可能扩大连成一片，形成明显的齿面损伤．为了避免这种现象，往往需要根据传统经验公式计算接触应力来校核齿面接触强度．随着实体建模及有限元理论的日益发展和完善，利用软件技术模拟来分析圆锥直齿轮静接触应力成为可能．1传统经验计算1．1直齿锥齿轮的基本参数图1所示为某机床主轴传动采用的直齿锥齿轮，已知输入机床主轴转矩丁，一50N·rn，小齿轮(主动轮，图1轴线水平

4、方向)转速900r／min，其齿数为18，而大齿轮(从动轮，图1轴线垂直方向)的齿数为34，两轮轴线相交成∑一90。，由电机驱动，工作寿命为10年，小齿轮悬臂支承，大齿轮两端支承，两齿轮的材料均为20Cr渗碳、淬火，齿面硬度(58～63)HRC，齿面粗糙度32“rn，采用100号中极压齿轮润滑油．基本几何参数一纠如表1所示．收稿日期：2011—01—15图1直齿锥齿轮传动的几何参数基金项目：湖北省荆州市科技发展资金项目(20091P030—3)作者简介：吴文秀(1965一)，男．教授，硕十，湖北天

5、门人。现主要从事机械工程测榨技术与材料成型技术的教学与研究工作．《成组技术与生产现代化》2011年第28卷第1期万方数据表1机床主轴直齿锥齿轮传动的主要几何尺寸1．2齿面接触应力计算通过表1数据可间接求出：啮合线长度g。一15．365mm当量齿轮基圆齿距加一8．799mm端面重合度￡。一譬=1．746P曲齿面中部接触线长度Z拥一!!盟一21．77mm￡删小齿中部接触线的投影长度Zh7=Z，删一21．77mm根据GB／T10062—1988正交传动直齿锥齿轮计算公式[2]O'H—KAKvKHpKH口

6、F,一v／≯u+lZM-BZEZJ5ZpZ^(1)许用接触应力盯坳一罢世旦zNz，，vRz。ZⅣ(2)强度条件盯H≤drip(3)中点分度圆上的切向力F，一2000Tl／d。1一(2000X50／63．40)N一1577．3N．通过查阅齿轮手册和有关计算公式，可得使用系数K。一1．25，动载系数Kv一1．045，齿向载荷分布系数Km=1．65，端面载荷系数K％一1．0，单对齿啮合系数Z肛。一1．4768，弹性系数Zr一189．8~／N／mm2，直齿轮螺旋角系数Zp一1，锥齿轮系数乙一0．8，载荷分

7、配系数Z，5—1，试验齿轮的接触疲劳极限盯洲。一1300N／mm2，长期工作取为无限寿命系数ZN一1，润滑油影响系数Z，，vR一0．95，工作硬化系数Zw一1，尺寸系数Zx—l，最小安全系数Sm。一1．1．接触应力为：¨一产葛呼Z靠函而Z。一1．25X1．045X1．65X1．OXl577．3×等×一^—丁面万一^1．4768×2．5×189．8×1×1×o·8)N／mm2=935·857N／ram2<仃H一一1123N／ram2满足设计要求．2基于Workbench的圆锥直齿轮静接触应力分析为了

8、建立圆锥直齿轮传动实体模型和进行静接触有限元分析，笔者将在Catia中创建锥齿轮传动的三维模型导入workbench，定义材料和接触齿面，划分网格，施加载荷和约束条件及求解，将模拟仿真与传统计算进行比较，以便检验传统设计是否合理．利用Workbench建立有限元仿真分析步骤，如图2所示．2．1利用Catia对大小齿轮建模，并进行组件的装配建模和装配包括3个主要步骤∞o．(1)在catia零件建模下，通过锥齿轮几何尺寸及参数关系建立锥齿轮左右齿廓，利用其边界曲线GroupTechno