基于ANSYS的外嚙合高壓泵斜齒輪的接觸應力及有限元模態分析

劉 坤，徐 雷，陳 沛

（四川大學 制造科學與工程學院，成都 610000）

基于ANSYS的外嚙合高壓泵斜齒輪的接觸應力及有限元模態分析

劉 坤，徐 雷，陳 沛

（四川大學 制造科學與工程學院，成都 610000）

為避免齒輪因疲勞折斷、齒面膠合等因素而引發生產事故，保證其具有良好的工作性能，因此有必要對高壓泵斜齒輪進行靜態及動力學分析。以高壓泵斜齒輪為出發點，通過ANSYS對高壓泵斜齒輪輪齒嚙合處的受力情況進行靜態分析，得到高壓泵斜齒輪傳動在載荷作用下的變形和應力，并校核其結構的可靠性，通過模態分析，獲得高壓泵斜齒輪的振動特性和固有頻率，進而避免共振的發生。最后實驗表明，通過靜態分析求解的接觸應力小于理論計算值，模態分析形象直觀的反映出固有頻率，不會發生共振，驗證了結構的合理性，為準確分析齒輪工況提供了一種有效解決途徑。

高壓泵斜齒輪；ANSYS；接觸應力；模態分析

0 引言

輪齒的彎曲強度是外嚙合斜齒輪的重要的強度性能之一，而且齒根彎曲應力的大小直接影響著齒輪的使用壽命和生產安全。隨著機械制造業的發展，外嚙合斜齒輪高壓泵在液壓系統中扮演著重要角色，在實際工作情況下，輪齒由于受載荷的作用易發生疲勞破壞，為避免齒輪的疲勞破壞，保證其良好的工作性能，因此，有必要對輪齒所受到的應力進行分析。

朱如鵬[1]等利用有限元分析對齒輪接觸應力和模態等特性進行了研究。Tsuta[2]分析了齒輪軸的剛度特性對外嚙合斜齒輪傳動性能的影響，分析了齒輪嚙合過程中接觸應力的變化。胥國祥[3]對面齒輪進行了動力學分析，分析了齒輪嚙合過程中接觸應力的變化。劉剛田等[4]借助于Pro/Engineer生成弧齒錐齒輪模型，利用ANSYS有限元分析，分別計算了接觸應力和彎曲應力。可知，有限元分析在齒輪的靜態分析、動力學分析等方面得到了廣泛的應用。通過對齒輪泵輪齒嚙和過程進行靜態分析和模態分析，可以比較精確地提供齒輪泵齒輪工作過程中的運動情況，從而獲得齒輪的應力分布和振動特性。

本文首先根據GPD2型外嚙合高壓泵斜齒輪的設計參數，通過SolidWorks 14.0完成其建模并進行裝配，將模型數據變換后導入ANSYS軟件，綜合考慮了摩擦接觸，扭矩和轉速變化等因素，得到了在多齒対接觸情況下，齒根處彎曲應力場的分布及其變化規律。

1 斜齒輪有限元模型的建立

本文以四川長江液壓件有限責任公司的GPD2型高壓泵外嚙合斜齒輪為研究對象，齒輪泵主要技術參數如表1，外嚙合斜齒輪的齒面是漸開線螺旋面，齒輪副幾何參數如表2所示。依據設計參數，在SolidWorks 14.0中進行建模并裝配，得到外嚙合高壓泵斜齒輪的組成如圖1所示。使用ANSYS 15.0對輪齒的接觸嚙合進行分析。

在本文的計算中，在齒寬方向劃分了50層單元，在齒高方向劃分了6層單元，輪齒采用六面體單元劃分，齒輪副模型共有為120232個單元，205188個節點。網格劃分原則依據遵循齒面接觸區域細化，其余區域較稀疏。

齒輪嚙合屬于接觸非線性問題，既有由摩擦產生的非線性，也有由接觸壓力變化、接觸面積產生的非線性[5]，它是一個反復迭代的過程，考慮到齒輪軸對接觸分析結果的影響較小，同時為了簡化計算，因此對齒輪的結構進行適當簡化，本文取斜齒輪的輪齒部分進行嚙合分析，得到齒輪副網格劃分結果如圖2所示。

表1 斜齒輪主要技術參數

表2 齒輪副幾何參數

圖1 高壓泵齒輪嚙合圖

圖2 齒輪副網格劃分圖

2 接觸對的建立與模型的加載

分別對斜齒輪進行靜態分析和模態分析，通過靜態分析，確保外嚙合高壓泵斜齒輪承受穩定載荷的狀態，來確定斜齒輪在穩定載荷作用下結構的可靠性；通過模態分析，來確定高壓斜齒輪泵結構振動的固有特性，即固有頻率和振型。

2.1 創建接觸對

重合度是衡量齒輪嚙合的重要指標，斜齒輪齒條重合度包含向重合度和端面重合度，計算公式為：

圖3 齒輪嚙合位置圖

2.2 外嚙合高壓泵斜齒輪靜態分析

在SolidWorks 14.0中進行裝配，然后將裝配好的齒輪泵齒輪模型導入ANSYS軟件后，設置主動齒輪和從動齒輪的材料為結構鋼，泊松比為μ=0.3，彈性模量E=2.5×105Mpa，密度為7.85×10-6kg/mm3，接觸面的類型選為“Frictional”，摩擦系數設置為0.05。

高壓泵正常工作時，主動輪靠外界電動機輸入轉矩來帶動從動輪，實現齒輪的嚙合運動，此時，從動輪受阻力矩。在靜態力學分析中，假設主、從動齒輪接觸的瞬間，從動輪不動，對從動輪內圈進行固定約束，主動輪施加轉速為2000r/min。

對輪齒嚙合接觸進行求解分析，可得到其等效應力分布圖，安全系數。進而確定最大應力和最小安全系數，求解結果分別如圖4～圖6所示。

圖4 等效應力分布圖

圖5 安全系數分布圖

圖6 等效應變分布圖

在齒輪嚙合過程中，齒根受到的彎曲應力也會不斷變化，在輪齒嚙合區域應力較為集中，齒輪接觸應力校核公式[6]為：

式中：ZH為節點區域系數；ZE為彈性系數；θd為齒寬系數；K為載荷系數；Z為重合度系數；Zβ為螺旋角系數；T1為轉矩，單位為N·mm；d1為從動齒輪節圓直徑，單位為mm；μ為齒輪齒數比。

通過理論計算的齒輪接觸應力為915.8Mpa。

由圖4可知，最大等效應力為984.01Mpa。將ANSYS分析結果與理論計算值進行對比，兩者比較相符。圖6為等效應變分布圖，從變形情況看，可知彈性應變的分布情況為：應力沿齒輪軸向向齒輪嚙合的區域由小變大。

由圖5可知，齒輪最小安全系數區域在主動輪軸肩處，最小系數為1，說明其最易受到破壞，而其他區域的安全系數大于1。若最小安全系數大于1，則表明齒輪輪齒接觸部分疲勞強度符合設計要求。

2.3 外嚙合高壓泵斜齒輪模態分析

通過模態分析，可使斜齒輪結構設計避免共振的發生，可以用來確定振動特性、固有頻率的，讓我們認識到結構對不同類型的動載荷是如何響應的，從而了解高壓泵斜齒輪的動力學性能[7]。

在對斜齒輪進行模態分析時，其材料屬性、網格劃分與靜態分析相同，主要分析斜齒輪在自由模態下的固有頻率和振動特性，不考慮預應力的影響，不對齒輪模型施加載荷，約束兩個斜齒輪內圈節點的自由度，模型在導入ANSYS軟件時，已經自動檢測并創建接觸對，將接觸類型設置為“Frictional”。

采用迭代求解器進行求解，提取前10階模態。表3為高壓泵斜齒輪前10階的固有頻率。

表3 高壓泵斜齒輪前10階固有頻率

【】【】

The contact stress and finite element modal analysis of high pressure pump helical gear based on ANSYS

LIU Kun, XU Lei, CHEN Pei

TH3

：A

1009-0134(2017)01-0004-05

2016-09-01

川大-瀘州高校科研基金項目（2014CDLZ-G23-SCU，2015CDLZ-G19-SCU）

劉坤（1991 -），男，山東人，碩士研究生，研究方向為計算機輔助設計。