基于SolidWorks simulation分析齿轮接触应力
2021-05-25广东海洋大学
广东海洋大学
□ 吴香林 李德荣 吴敬权 陈典龙
农业机械运用齿轮传动，传动比准确，传动效率高，使用寿命长，设计齿轮时科学分析齿轮失效原因非常必要。本文基于SolidWorks simulation分析齿轮接触应力，通过仿真实验证实，提出的有效性方法，可以大大提高农机齿轮的寿命和效率。
一、问题提出
轮齿的失效主要包括轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、轮齿塑性变形等。其中，轮齿折断主要发生在轮齿的齿根部，因为轮齿啮合受力时根部的应力最大，齿根过渡部分的形状突变等原因引起应力集中。齿轮的危险处应力分析是进行强度校核计算的，也是为下一步其相配合轴的设计、选择作准备。
SolidWorks Simulation是一个与 SolidWorks完全集成的设计分析系统，设计仿真一体化无缝集成，将仿真操作界面，模拟仿真流程无缝融入到SolidWorks的整个设计过程中。实现了同一软件下计算机辅助设计与计算机辅助有限元分析无缝集成结合。SolidWorks Simulation 提供了通过计算机解决方案来进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析。凭借着快速解算器的强有力支持，使得设计师能够使用个人计算机快速解决大型问题。SolidWorks Simulation 节省了大量设计所需的时间和精力，可大大缩短产品上市周期。
本文通过在 SolidWorks simulation 环境下对齿轮进行应力有限元分析。模拟仿真分析齿轮齿根处的应力分布情况，找到齿根最有可能出现的危险截面，从而完善优化设计，避免齿轮折断失效引起的故障情况出现。
二、前期准备
1．建模
根据实际需要，运用slidwoks设计功能创建一对啮合的渐开线直齿齿轮。利用solidwoks设计功能创建三维图形并模拟装配配合。
小齿轮模数为2，齿数31，压力角20度，齿宽21；大齿轮模数为2，齿数67，压力角20度，齿宽20。
2．指派材料
材料选用SolidWorks simulation自带材料库中的材料：合金钢。材料模型类型：线性弹性同向性。主动轮GEAR_10.360232 kg、体积4.67833e-005 m3；质量从动轮GEAR_2质量0.496194 kg、体积6.44408e—005 m3。见如表1
表1 材料属性
3．载荷和约束
一对啮合的齿轮副中，齿轮材料、传动比及其他选定的情况，一般选择分析校验小齿轮。
载荷名称：扭矩作用在小齿轮上；选择组于主动齿轮GEAR_1的内孔面，应用力矩150N—m 相对于所选参考基准轴使用均匀分布；装载类型，按序装载。
约束：静力学分析过程小齿轮绕轴心转动，选择固定铰链于主动齿轮GEAR_1的内孔面铰链约束；从动大齿轮固定，约束限制全部自由度。
4．接触类型
本文分析在 SolidWorks simulation中采用齿轮副接触类型为相触面组；其他参数选择软件默认。相触状态：接触面-自由全局接触；齿轮间存在滚动摩擦加滑动摩擦，在小齿轮齿根位置滑动摩擦最大。啮合的轮齿间加有润滑油，摩擦力很小，‘无穿透'接触面组：在下项的所选实体之间：零件包括带摩擦系数的摩擦：0.1。
5.划分网格及求解
网格化分的方法和网格划分精细程度，对运算速度、解算结果准确度有很大的影响。划分网格时要根据实际情况划分。划分完成后有主要信息如表2所示。
求解：解算器类型FFEPlus
表2 网格信息
三、分析结果
算例结果如表3，分析内容除了应力云图、位移云图、应变云图和安全系数云图外 ,还包括动画演示过程。能更加直观、精确地观察到计算结果。默认失败准则是最大 von Mises。通过分析图1 应力云图可清晰的看出受应力最大的地方作用在齿处，有限元分析应力分布情况，符合推断实际工作状况。应力齿根处的最大应力VON:von Mises为410.151 N/mm2 (MPa)小于材料的屈服强度。通过分析安全系数云图，安全系数最小1.3，最大为100。此算例结果综合分析齿轮设计符合要求。
表3 算例结果
?
图1 应力云图
四、结束语
设计的齿轮通过Simulation 帮助分析，大大缩短了齿轮设计周期，提前了投入使用的时间。有限元模拟仿真结果信息，为齿轮校核接触强度提供了更可靠依据。设计的三维模型的特征形状和结构尺寸能够得到迅速科学的评估，使设计师能够根据分析结果信息快速的对齿轮进行优化设计，有效提高产品的设计效率和质量。通过Simulation计算的结果与传统理论计算结果不同。因为传统理论计算过程中引入了各类的系数来修正调整，不能很好地计算齿轮啮合时的实际复杂工况；现在计算机计算能力不断提升，有限元技术得到了快速发展，相对于传统的理论计算有限元分析计算速度快、计算结果精确度高等优点；优势明显使得有限元仿真分析技术快速发展并广泛应用。Θ
