自调位装置中小齿轮的改造研究与有限元分析

任绍锦

(重庆望江工业有限公司，重庆 400071)

某厂煅烧炉自动调位装置中，由具有自动调位功能的小齿轮为主动轮和从动轮大齿轮进行啮合，此为重载低速的开式传动齿轮副。在使用过程中其主要失效为齿面磨粒磨损，最后齿廓变尖而报废。为了保证小齿轮的强度，增加小齿轮的啮合次数并延长其使用寿命，优化设计时，在保证小齿轮各种使用参数的前提下，采取将小齿轮的轮齿修整成鼓形和增大模数等措施。

1 小齿轮的功用

小齿轮(如图1 所示)是自调位装置(如图2 所示)中与载荷直接作用的部件，是整个传动系统中的重要部件，也是带动载荷运动的齿轮副。载荷不均时，外力驱动小齿轮绕球体自动转动，达到自适应位置，使其受力均匀。

图1 小齿轮结构

2 小齿轮的受力分析

根据机械设计理论，齿轮在使用过程中承受最大的力是法向力Fn，法向力可以分解为相切于分度圆的圆周力Ft和半径方向的径向力Fr(见图3)。根据各种参数的选择，可得出法向力、圆周力、径向力如下:

3 小齿轮有限元分析计算

3.1 有限元建模

利用ANSYS 软件建模主要是通过创建关键点，再创建面，然后创建空心的圆环，将形成的面用布尔运算将面加在一起;再次创建齿廓的关键点，形成1 个单独的齿，阵列齿后，进行布尔运算，将所有面形成一个整体，最后沿着面的法面进行拉伸形成1 个齿轮(如图4 所示)。偏移工作平面，建立1 个实体圆柱，再进行布尔“减”操作，至此，小齿轮的建模也就完毕。

图4 建模

3.2 有限元划分网格

有限元划分网格时，选择单元属性包括定义单元类型、实常数、材料属性、杨氏模数、泊松比等，设定网格尺寸(控制网格密度)，开始网格划分(如图5 所示);划分完以后进行网格检查，查看在划分网格时是否有划分错误或不合理的网格，以保证求解时不发生错误以及结果的准确性。

图5 网格图

3.3 边界条件设置与施加载荷

小齿轮主要受圆周力和径向力，由此可知，齿轮的主要变形是扭转和弯曲的组合变形。在此，主要分析的是在分度圆上单齿啮合的极限状态受力情况，边界条件及载荷情况如图6 所示。

3.4 有限元分析数据结果

在有限元分析软件ANSYS 后处理器中能够看到应力云图(见图7)和位移图(见图8)的结果。应力的最大值是40.548 MPa，X 方向最大位移值是-0.788 46 ×10-8mm，Y 方向最大位移值是-0.175 52 ×10-8mm。

4 结束语

通过小齿轮的优化设计，减少了小齿轮的材料，降低了小齿轮的重量，增加了小齿轮的使用寿命(比原来小齿轮的使用寿命延长了30%)。利用有限元软件进行计算分析，节约了小齿轮的生产时间，降低了其生产成本。通过对小齿轮的强度进行分析，有效地保证了小齿轮的使用安全，为企业的生产提供了强有力的支撑。

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