磁力齒輪結(jié)構(gòu)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(jìn)而導(dǎo)致失效，磁力齒輪可解決以上問題。本文對磁力齒輪進(jìn)行有限元分析，在滿足強(qiáng)度和負(fù)載的前提下，對磁力齒輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到減重的目的，并得出一種磁力齒輪新型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。

關(guān)鍵詞：磁力齒輪;有限元分析;優(yōu)化

引言

在現(xiàn)代化設(shè)備生產(chǎn)過程中，齒輪傳動被廣泛應(yīng)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(jìn)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(qiáng)度的前提下，對磁力齒輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)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(jìn)行有限元分析，從減重的方向出發(fā)，在滿足強(qiáng)度的要求下，對磁力齒輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，得到一種磁力齒輪新型的結(jié)構(gòu)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(cè)嵌入永磁片，因此輪齒的側(cè)面設(shè)計成平面。同時，為了簡化模型，方便進(jìn)行分析過程中網(wǎng)格的劃分，在不影響結(jié)果的前提上，將輪齒的側(cè)面設(shè)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(qiáng)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(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變分析，并進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 網(wǎng)格劃分

將磁力齒輪的模型導(dǎo)入有限元軟件SolidWorks simulation中，并對磁力齒輪進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格密度選擇到良好，雅可比點(diǎn)選擇4點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度進(jìn)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(dá)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(jié)果分析

基于SolidWorks simulation對磁力齒輪進(jìn)行應(yīng)力分析，得出的結(jié)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(yīng)力處在屈服極限內(nèi)，并且有的網(wǎng)格部分受到的應(yīng)力并不大，可以進(jìn)行切割優(yōu)化。

3 磁力齒輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化

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

4 結(jié)語

本文對磁力齒輪進(jìn)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(jié)構(gòu)，為磁力齒輪的結(jié)構(gòu)發(fā)展提供了一種簡便、有效的優(yōu)化方案。

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