基于SolidWorks simulation分析齒輪接觸應力

廣東海洋大學

□ 吳香林 李德榮 吳敬權 陳典龍

農業機械運用齒輪傳動，傳動比準確，傳動效率高，使用壽命長，設計齒輪時科學分析齒輪失效原因非常必要。本文基于SolidWorks simulation分析齒輪接觸應力，通過仿真實驗證實，提出的有效性方法，可以大大提高農機齒輪的壽命和效率。

一、問題提出

輪齒的失效主要包括輪齒折斷、齒面點蝕、齒面膠合、齒面磨損、輪齒塑性變形等。其中，輪齒折斷主要發生在輪齒的齒根部，因為輪齒嚙合受力時根部的應力最大，齒根過渡部分的形狀突變等原因引起應力集中。齒輪的危險處應力分析是進行強度校核計算的，也是為下一步其相配合軸的設計、選擇作準備。

SolidWorks Simulation是一個與 SolidWorks完全集成的設計分析系統，設計仿真一體化無縫集成，將仿真操作界面，模擬仿真流程無縫融入到SolidWorks的整個設計過程中。實現了同一軟件下計算機輔助設計與計算機輔助有限元分析無縫集成結合。SolidWorks Simulation 提供了通過計算機解決方案來進行應力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優化分析。憑借著快速解算器的強有力支持，使得設計師能夠使用個人計算機快速解決大型問題。SolidWorks Simulation 節省了大量設計所需的時間和精力，可大大縮短產品上市周期。

本文通過在 SolidWorks simulation 環境下對齒輪進行應力有限元分析。模擬仿真分析齒輪齒根處的應力分布情況，找到齒根最有可能出現的危險截面，從而完善優化設計，避免齒輪折斷失效引起的故障情況出現。

二、前期準備

1．建模

根據實際需要，運用slidwoks設計功能創建一對嚙合的漸開線直齒齒輪。利用solidwoks設計功能創建三維圖形并模擬裝配配合。

小齒輪模數為2，齒數31，壓力角20度，齒寬21；大齒輪模數為2，齒數67，壓力角20度，齒寬20。

2．指派材料

材料選用SolidWorks simulation自帶材料庫中的材料：合金鋼。材料模型類型：線性彈性同向性。主動輪GEAR_10.360232 kg、體積4.67833e-005 m3；質量從動輪GEAR_2質量0.496194 kg、體積6.44408e—005 m3。見如表1

表1 材料屬性

3．載荷和約束

一對嚙合的齒輪副中，齒輪材料、傳動比及其他選定的情況，一般選擇分析校驗小齒輪。

載荷名稱：扭矩作用在小齒輪上；選擇組于主動齒輪GEAR_1的內孔面，應用力矩150N—m 相對于所選參考基準軸使用均勻分布；裝載類型，按序裝載。

約束：靜力學分析過程小齒輪繞軸心轉動，選擇固定鉸鏈于主動齒輪GEAR_1的內孔面鉸鏈約束；從動大齒輪固定，約束限制全部自由度。

4．接觸類型

本文分析在 SolidWorks simulation中采用齒輪副接觸類型為相觸面組；其他參數選擇軟件默認。相觸狀態：接觸面-自由全局接觸；齒輪間存在滾動摩擦加滑動摩擦，在小齒輪齒根位置滑動摩擦最大。嚙合的輪齒間加有潤滑油，摩擦力很小，‘無穿透'接觸面組：在下項的所選實體之間：零件包括帶摩擦系數的摩擦：0.1。

5.劃分網格及求解

網格化分的方法和網格劃分精細程度，對運算速度、解算結果準確度有很大的影響。劃分網格時要根據實際情況劃分。劃分完成后有主要信息如表2所示。

求解：解算器類型FFEPlus

表2 網格信息

三、分析結果

算例結果如表3，分析內容除了應力云圖、位移云圖、應變云圖和安全系數云圖外 ,還包括動畫演示過程。能更加直觀、精確地觀察到計算結果。默認失敗準則是最大 von Mises。通過分析圖1 應力云圖可清晰的看出受應力最大的地方作用在齒處，有限元分析應力分布情況，符合推斷實際工作狀況。應力齒根處的最大應力VON:von Mises為410.151 N/mm2 (MPa)小于材料的屈服強度。通過分析安全系數云圖，安全系數最小1.3，最大為100。此算例結果綜合分析齒輪設計符合要求。

表3 算例結果

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圖1 應力云圖

四、結束語

設計的齒輪通過Simulation 幫助分析，大大縮短了齒輪設計周期，提前了投入使用的時間。有限元模擬仿真結果信息，為齒輪校核接觸強度提供了更可靠依據。設計的三維模型的特征形狀和結構尺寸能夠得到迅速科學的評估，使設計師能夠根據分析結果信息快速的對齒輪進行優化設計，有效提高產品的設計效率和質量。通過Simulation計算的結果與傳統理論計算結果不同。因為傳統理論計算過程中引入了各類的系數來修正調整，不能很好地計算齒輪嚙合時的實際復雜工況；現在計算機計算能力不斷提升，有限元技術得到了快速發展，相對于傳統的理論計算有限元分析計算速度快、計算結果精確度高等優點；優勢明顯使得有限元仿真分析技術快速發展并廣泛應用。Θ