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某变速器斜齿轮的设计与有限元分析
摘要
斜齿轮运动作为工业生产中最主要的方式之一,其存在传动效率高、功率大、运动精确、寿命久、安全性能好等特征,它主要用于任何两根轴之间进行运动和作用力的传输。
随着工业和生产技术的高速发展,对工业运动控制的精度有了更高的要求,斜齿轮有限元分析法使用得到了广大学者们的密切注意。
本设计运用AnsysWorkbench软件对斜齿轮进行了有限元的分析,包括斜齿轮的静态分析和斜齿轮变形分析。
因为我们拥有现有的斜齿轮的三维模型及斜齿轮啮合时的三维模型,所以只需要在AnsysWorkbench中,直接将三维模型依次导入其中;再然后,在AnsysWorkbench软件中依次对两种三维模型进行有限元的分析,获得各自的应力分布云图和形变量图;最终,对斜齿轮和啮合的斜齿轮副依次进行静力与变形的答案汇总,并将汇总得出的结论进行分析,并得出最终评价。
关键词:
斜齿轮,有限元分析,应力云图,AnsysWorkbench
Abstract
Oneofthehelicalgearmovementasthemainwayofsportsindustry,withlargetransmissionpower,highefficiency,precision,longworkingtime,safeandreliablecharacteristics,itismainlyusedfortransmissionbetweenanytwoaxesofmotionandforce.Withtherapiddevelopmentofindustryandproductiontechnology,theaccuracyofindustrialmotioncontrolhasbeenmoreandmoredemanding.
ThisdesignusestheAnsysWorkbenchsoftwaretocarryonthefiniteelementanalysisofthehelicalcylindricalgear,includingthestaticanalysisofthehelicalgearandthedeformationanalysisofthehelicalgear.Becausewehavethree-dimensionalthree-dimensionalmodelofhelicalgearandthehelicalgearpairs,soonlyintheAnsysWorkbench,willturnintothedirect3Dmodel;then,intheAnsysWorkbenchsoftwareinfiniteelementanalysisoftwokindsofthree-dimensionalmodel,getthestressdistributionanddeformationdiagrameachother;finally,themeshingofhelicalgearandhelicalgearpairinthestaticdeformationandanswersummary,andthesummaryoftheconclusionoftheanalysis,anddrawthefinalevaluation.
Keywords:
Helicalcylindricalgears,Finiteelementanalysis;,Stressnephogram,AnsysVVoekbench
摘要
Abstract
1绪论0
1.1论文研究的意义0
1.2本论文研究的主要内容和特征0
1.3有限元分析介绍2
1.3.1有限单元法的发展及应用2
1・3・2AnysysWorkbench软件特征3
1・4本论文研究的主要目的4
1.5本章小结4
2变速器和齿轮5
2.1汽车变速器的发展5
2.2汽车变速器齿轮的作用5
2.3齿轮的发展与分析
2.3.1齿轮的特点及种类
2・3・2国内外齿轮的分析概况
2・3.3齿轮有限元分析基本原理
3.1斜齿轮运动时的特征概述10
3.2斜齿轮的主要失效形式11
3.3斜齿轮的改进措施12
4斜齿轮的有限元分析14
4.1斜齿轮有限元模型的建立14
4.2斜齿轮静力分析15
4.2.1模型载荷和约束的施加15
4.2.2添加材料的属性16
4.2.3网格的划分16
4.2.4AnsysWorkbench分析17
4.
3斜齿轮对变形有限元分析20
24
4.4.2两种疲劳强度校核23
4.5本章小结23
5总结
26
参考文献
27
1绪论
1.1论文研究的意义
就在目前的工业情形之下,不可否认工业运动中最重要的运动之一就是斜齿轮运动,其应用范围之广包括了工业、冶金、矿业、汽车、及船舶等领域【11。
运动比稳定、效率好、使用时间长、工作稳定、结构简单等都是斜齿轮运动所具有的优势。
圆柱斜齿轮运动几乎是所有斜齿轮运动中使用最多最广泛的⑵。
因为其结构简单、制作便捷,所以在工业设备中存在很重要的位置⑶。
因为斜齿轮设计时的误差与生产水平都会直接或间接地对工业设备的性能和质量产生显著地影响,所以近些年来,人们对斜齿轮的设计和研究从未停顿,从而使得斜齿轮的设计的方式朝着越来越高的层次上发展。
近些年来科技日新月异,不论什么方面都在蓬勃发展。
与此同时我们在工业设备领域也取得了各种丰硕的成就。
但同时各种精密的工业设备也对斜齿轮的制作生产提出了越来越苛刻的要求⑷。
因此进一步研究斜齿轮运动,设计出精度更高、使用寿命更长的斜齿轮成为了重中之重,只有这样才能满足现代工业向更加高速更加重载的方向发展的要求。
如今,圆柱斜齿轮的使用要求不外乎是具有更高承载、更快速度、更高效率、更低噪声的特点。
为了使得高速重载工况下的斜齿轮运转能够更加稳定,我们不得不降低由斜齿轮受负载形变量和生产制造偏差所引起啮合的初始冲击力,并对齿轮齿形的润滑情况加以改良,以便齿轮在受力时承受的载荷可以更加均匀分散开来。
这就要求我们对斜齿轮进行有限元的分析,对斜齿轮所有受力的情况进行计算分析,从而避免斜齿轮发生严重的失效形变。
如何避免斜齿轮的失效,研究斜齿轮的受力分析已是现代工业研究里最为重要的课程之一。
有限元分析法的发生对计算斜齿轮的受力情况提供了一种更加准确的方法和途径,这种方法有效的减少了以往斜齿轮应力计算方式中将斜齿轮作为悬臂梁计算造成的偏差⑸,从而能够更加精准地反映出斜齿轮应力分布的情况。
1.2本论文研究的主要内容和特征
本设计的主要内容是基于AnsysWorkbench的斜齿圆柱齿轮有限元分析,运用AnsysWorkbench软件对斜齿圆柱齿轮进行有限元分析,在总的分析过程中又分为单独斜齿轮的静力分析和斜齿轮副的触接分析⑹。
在AnsysWorkbench的材质库添加斜齿轮的材质;我们利用现有的斜齿轮的三维模型,从而直接建立有限元模型,继而通过添加边界环境进行求解。
最终,通过求解所得的应力分布图观察斜齿轮的受力情况,通过形变图査看斜齿轮在受力位置的具体形变。
具体研究内容如下:
(1)因为己经拥有了现成的齿轮模型,所以我们就不需要再利用类似CATIA这样的软件进行模型的绘制。
我们只需要将现有的模型导入进ANSYSWorkbench软件里进行分析就好了。
(2)运用ANSYSWorkbench软件对斜齿轮和啮合斜齿轮进行材质添加、网格划分、施加载荷约束和边界环境。
对斜齿轮的啮合线进行静态分析,在啮合斜齿轮触接区域进行触接应力分析,经过应力分析后得到应力分布云图、总形变图。
(3)依据斜齿轮应力分布云图和形变图,考察斜齿轮受力位置发生的形变。
1.3有限元分析介绍
有限元分析作为计算数值方式中在工程分析领域应用最为大量的一种计算方式,它可以进行结构学、热学、声学、流体学以及电磁场等学科的研究,在铁道、核工业、航空航天、地矿等范围有着巨大的作用⑺。
19世纪至今,有限元分析因特殊的计算优点一直在不断地被使用,并得到了大力的发展,己出现了不同的有限元分析方法并由此发生了一批非常专业成熟的商用有限元软件。
在计算机技术日新月异的今天,有限元分析在工程分析中的作用也越来越大。
1.3.1有限单元法的发展及应用
有限单元法是运用电子计算机进行数值模拟的方式,现如今在工程技术领域中的应用十分多,有限元计算答案已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据⑻。
现在,有限元分析大量应用于解决航空、工业、航天、电子、土木、船舶、能源、化工、核工业、生物、医学及交通运输等众多领域的具体工程问题,尤其是随着计算机技术突飞猛进的高速发展,有限单元法在解决具体问题的规模、区间方面也已经发生了巨大的变革⑼。
并且有限元分析技术可以实现如下几点:
(1)找到产品潜在的问题以及先天的缺陷,为我们创造更加品质优异的产品。
(2)对风险进行评估与预测,提高产品和加工生产的可靠性,降低存在的风险。
(3)通过进行对比计算分析,运用改进后的设计方案,降低产品生产加工成本。
(4)缩短产品投向市场的时间。
(5)降低物理试验次数,对大量实际情况进行快速而有效的模拟实验分析。
有限元分析是R.Courant于1943年首先提出的。
自从有限元分析概念的诞生,有限元理论及其特殊的应用便获得了空前高速的发展【9】。
有限元分析法使得以往不能解决或能解决但解决精度不高的问题,全部都变得可以更好更快的解决叫传统的FEM假设:
分析域是无限;但是因为模型所用的材质是大体相同的的,甚至人们认为绝大部分的分析过程中的材质是各向同性的,只是对边界环境进行了简化处理。
但往往进行操作时我们只是了解到分析区域有限、材质各向异性以及边界环境难以确定等因素。
为了可以消除这些因素,美国学者发现用FEM(FiniteElementMethod)这一方法就可以完美解决分析区域内含有大量孔洞特性的这一问题;比利时学者也提出了用HSM(分层储存管理)可以解决实际开裂情况。
FEM在国内的应用也十分广。
自从我国第一个通用有限元分析程序系统JIGFEX诞
生之后有限元分析的应用范围便覆盖到工程分析的各个领域当中去了。
自此之后在我国不论是大型的三峡工程还是微米级的器件都运用到了FEM分析。
在经济高速发展的这个时代FEM拥有巨大的发展空间与时间。
现如今我们在对一些大型且复杂的工程结构物理场进行分析时,为了能够尽量的降低偏差,常用后验偏差估计的自适应有限元分析法进行操作1山。
而基于后处理法的计算偏差的方法,与我们经常使用的传统算法完全不一样,它完美的将网格自适应过程划分为均匀化和变密度化两个迭代过程I】%在均匀化迭代过程中,计算机只需要运用均匀网格尺寸对整体分析区域进行网格划分,便可以使得起始分析网格均匀且合适;另一方面在变密度化迭代过程中计算机只要进行网格细化的操作就可以了,而且还能够充分利用上一次迭代所得到的答案,可以在要分析单元所在的曲边三角形区域内部进行局部网格细化工作,这样就保证了全局分析网格尺寸分布的合理性I⑸。
从而使得不同尺寸的网格就可以光滑的衔接,也近一步提高了网格的整体质量。
通过无数次的实际操作我们可以肯定上述整个方案不仅稳定可靠而且简单易操作。
因为数次迭代即可快速收敛,就使得生成的网格不但布局更加合理,而且质量水平也会提高。
1.3.2AnsysWorkbench软件特征
AnsysWorkbench是ANSYS软件所有模块中最主要的部分之一。
它的主要运用范围便在于工程设计人员在产品研发和在设计过程所遇到的各种有限元分析难题都可以运用Workbench进行解决。
它具有以下特征:
(1)协同仿真、参数互相传导功能
AnsysWorkbench软件是集优化、设计、仿真、网格形变等众多功能于一体的软件,它可以对各项数据进行项目共同管理使用,让分析功能更加完整,而且支持大部分主流三维软件、有限元分析软件间的参数交互功能。
(2)高级装配部件处理工具、先进的处理网格能力
能够对复杂的装配零件进行触接关系的自动判别、触接建模功能,使使用起来更加方便,而且对形状不规则的几何模型能够进行高质量的网格划分和处理能力。
(3)软件内部可自己定义材质库和强大的分析能力
AnsysWorkbench软件本身带有可供自由选择的工程材质数据库,方便使用人进行选用、编辑。
支持几乎所有的AnsysWorkbench的有限元分析功能。
(4)简单易学、操作便捷
AnsysWorkbench之所以应用范围广泛就是因为在其内进行操作时,有限元分析的整体性、流程性都获得了极大地提高。
而且在实际操作过程中,AnsysWorkbench中大部分操作界面是和ANSYS经典界面是一样的,而且许多有限元分析运用的方法步骤如添加部件类型、求解器、答案处理等都是和ANSYS差不多的,只不过AnsysWorkbench运用了更加合理化的方式来适应使用者,让我们使用起来更为便捷。
1.4本论文研究的主要目的
本文此次采取的的研究对象为MT21变速器的主减速齿轮对。
我们将要使用AnsysWorkbench有限元软件对该变速器的主减速齿轮进行弯曲应力及接触应力进行分析卩化并且我们希望借此可以解决传统的齿轮计算方法上的某些弊端。
例如计算量过大,操作过程中无实验数据的验证,理论抽象等常见问题。
为评估和改善变速器主减速齿轮的使用寿命等方面提供参考。
1.5本章小结
本章主要讲述了本论文的研究意义、主要内容和研究目的,并且对有限元法进行了简单的介绍。
此次课题的主要研究对象为某型号的手动变速器主减速齿轮对。
通过对齿轮对建模,然后用有限元方法计算传动主减速器齿轮接触应力和弯曲应力,最后对结果进行评估。
从而看出这次的研究的意义,价值和可行性。
2变速器和齿轮
2.1汽车变速器的发展
作为汽车中必不了少的一个组件,变速器是与汽车发动机一样重要的存在。
变速器虽然重要但是却不为人们所熟知。
人们普片所了解的也不过是手动和自动的区别,当然现在最受欢迎的还是双离合变速器。
但是,却只有一少部分人才真正了解变速器,大部分人的思维还只是停留在变速器可以换挡这一项上面。
其实,几乎从汽车诞生之后的一小段时间之内,变速器就出现了。
自其诞生至今也有100多年了。
变速器自诞生至今,不仅结构越来越严密,种类也越来越多。
现如今的变速器就分为手动变速器(MT)、自动变速器(AT)、无级变速器(CVT)、顺序换挡变速器(AMT)、双离合变速器(DCT)这五大类。
目前,综合近几年的市场调査研究显示,由于自动变速器(AT)具有性能更加、功能更多、操作更加简单等各方面的优势,其得以占据很大一部分市场。
不过,AT最为人所诟病的一大缺点便是油耗高,其和行驶相同里程的其他变速相比,油耗显著要高。
所以,近几年各大汽车厂家都在为AT设计各种情形下的使用模式,使其智能化的适应各种条件的的驾驶需求。
比如在经济模式下,在发动机转速较低时就可以利用电控单元控制变速器的执行机构I⑸,使其按早早已设定好的的规律曲线完成换档,以此减少功率输出,使得油耗得以降低。
在运动模式下,其设计的换档规律曲线恰好与经济模式相反,我们使其在发动机高转速下进行换挡,从而使发动机获得最多的功率,近一步达到提高整车动力性能的目的。
不过,尽管如此,不论哪种模式,我们都不能两全其美,都必须要在发动机的功率和油耗之间做出选择。
因此,尽管MT存在许多不缺点,但是因其结构简单、功率大、效率高等优点,先仍在大量使用。
为了可以解决上述各种问题,在动力性和经济性上被大幅增高的CVT便问世了。
从现在的汽车市场状况来看,全世界各大厂商都对如何提升AT的性能以及研究更好的CVT表现的最为积极。
不过像是AMT和DCT都有各自的优点,但是相比相比于AT,目前的汽车市场还是对AT的需求量更大。
2.2汽车变速器齿轮的作用
齿轮是机械结构中的重要组成部分,汽车自问世以来,其构造中,齿轮便占据了重要地位。
作为汽车结构中的主要原件,齿轮担负起了传动机械能的责任。
在变速器中齿轮是必不可少的零件。
它在变速器当中作为传递动力、变相换速的主要承担者,具有不可替代的作用。
但与此同时,齿轮也承受着各种工况的磨损。
2.3齿轮的发展与分析
不论目前的机械行业如何发展,我们都不可否认其离不开齿轮行业,因为齿轮是机械行业的基础。
就目前的工业发展状况来说,所有工业当中就属齿轮工业技术涵盖量最广泛、资金最密集以及应用范围相对最大。
自打齿轮研究出世以来,几乎所有的机械行业都会运用得到齿轮及其齿轮产品。
并且很大一部分的机械成套设备的主要传动装置就是齿轮传动。
我们可以毫不夸张的说,是齿轮行业成就了今天的机械业。
另外齿轮行业发展的好坏、快慢对机械行业的发展有着至关重要的作用。
目前在我国,工业齿轮、车辆齿轮和齿轮设备组成了现在的齿轮行业。
其中工业齿轮传动制造的产品包含了工业通用、专用、重载等方面齿轮传动,另外还有用于矿山开采、船用零件、水泥制造、冶金等等领域的专用齿轮箱。
车辆齿轮传动生产的产品大多为车辆动力齿轮和车辆变速总成,其主要是向汽车、工程机械、农机、摩托车等大小型机械车辆提供变速传动的配套。
齿轮设备制造业主要涉及的是齿轮机床、密封、量具、刀具、齿轮润滑和实验设备等领域。
2.3.1齿轮的特点及种类
齿轮运动是机械运动中最主要的动力传递方式之一,它的使用层面极广,它被大量运用于各行各业当中,大到航天飞机,小到机械钟表、微型设备,从军工产品到日常用品,从重工业到轻工业,再到农业机械,纺织机械,食品机械等等行业,无一不是大量地使用着齿轮运动的方式。
总所以齿轮传动如此广泛的应用于各行各业,主要是因为它有着以下几大优点:
1、高效率传动。
在我们常见的机械运动中,齿轮的传动效率处于最高的位置,比如一对最普通的渐开线圆柱直齿轮的传动效率就可以达到99%。
高的传动效率对于功率大的传动场合十分关键。
2、结构简单紧凑。
通常情况下,在同等的使用条件下,齿轮传动所占结构的空间比一般其他传动方式要小的多。
3、使用稳定寿命久。
在正常情况下,只要我们按照合理正确的方式进行设计生产加工、正常使用正常维护保养的齿轮传动,一般来说它的使用寿命可以达到一二十年,并且工作十分稳定可靠,这也是其他一般机械传动方式所不能比及的。
4、传动比稳定。
传动比稳定常常是对机械传动性能最基本也是最重要的要求。
相比而言,齿轮传动的传动比就比其他机械传动方式的传动比要稳定的多的多。
同样,齿轮传动也有着它的一些缺点。
例如齿轮传动的生产制造以及安装精度要求很高,价格相比其他传动方式要贵,并且齿轮传动不适于传动距离较大的地方使用,其只适合在短距离之间力的传递。
齿轮传动的方式种类很多,根据一对齿轮在啮合过程中及其瞬态传动比(过2二31/32)是否恒定,可以将齿轮传动分为圆形(il2二常数)齿轮传动和非圆形齿轮传动(112H常数)。
我们常见的也是使用的最多的是圆形齿轮传动,而非圆形齿轮传动则用于一些有特殊要求的机械传动中。
根据齿轮两轴间的相对位置不同,圆形齿轮传动可以分成以下几种:
1、用于平行轴间传动的齿轮传动。
外齿啮合齿轮传动(externalmeshinggearsmechanism),两齿轮转向相反;内啮合齿轮传动(internalmeshinggearsmechanism),两转轮转向相同。
为齿轮与齿条传动(pinionandrackmechanism),齿条作直线移动。
以上三种各齿轮的齿向与齿轮轴线方向一致,均统称为直齿轮。
如果齿轮的轮齿齿向相对于齿轮的轴线倾斜了一定角度,这个角度也叫做螺旋角,我们将这种齿轮统一称为斜齿轮;人字齿轮(double-helicalgear)是一种特殊的齿轮,它可以视为由螺旋角相反的两个斜齿轮拼接而成组合体。
2、用于相交轴间传动的齿轮传动。
它有直齿和曲齿之分,直齿应用层面最多,而曲线齿锥齿轮(spimlbevelgear)由于其传动稳定,承载能力枪,也经常用于高速重载的传动中,如汽车、拖拉机、飞机等传动中。
3、用于交错轴间传动的齿轮机构。
如下图2-1所示,图(a)为交错轴斜齿轮传动(crossedhelicalgearmechanism)»图(b)为蜗杆传动(wormandwormwheelmechanism)图(c)为准双曲面齿轮传动(hypoidgearmechanism)。
图2-1齿轮机构图
2.3.2国内外齿轮分析概况
早在70年代左右,有限元分析法在国外就已经得到了广泛的应用,尤其是在汽车结构分析这一块,有限元法的利用率更是不断加大I"】。
在以前科技还未像如今这么发达的时候有限元法都可以得到利用,就更不用说现在了。
近些年以来种类繁多的有限元软件产品如雨后春笋一般不断涌现。
其主要原因便是计算机硬、软件性能的不断提高,从而使得有限元分析法得到了进一步的完善。
在有限元技术持续发展的过程中,齿轮有限元分析获得了飞速的发展。
就目前已知的信息可以看岀国外齿轮的有限元分析重点大致分为:
齿根弯曲应力、接触应力、模态、温度场分析等方面的分析。
经过国外的技术改进和经验积累,在有限元发展的几十年里,汽车有限元分析发展的已非常成熟。
国外齿轮有限元分析法的一般步骤如下图2-2:
图2-2现代变速器齿轮分析流程图
由于我国的经济是在最近的几十年里得到飞速发展的,并且国内汽车行业也是在最近十几年里得到发展的,所以国内的汽车有限元分析相对国外来说起步比较晚。
但是经国内大量专家学者的不断研究和改进,目前国内的有限元分析也取得了一定成就。
不过受限于有限元分析法极度的复杂性,如何有效的运用有限元方法对变速器主减速齿轮进行分析这一步骤还待进一步的研究。
现如今,国内学者还在利用传统的强度计算公式对齿轮刚度和强度进行研究。
由于该方法是以力学设计为基础,在计算的过程中需要引入两种假设,并且还得忽略剪应力和压应力带来的影响,因此计算结果会有一定的近似性,误差较大。
然而这种方法在计算时会有许多的系数,并且在设计的过程中这些系数还是根据实际条件并结合以往积累的经验来选的。
尽管实践证明这一类方法是有效的,同时也可以满足一定精度要求,但它只是在手算的基础上,利用了一些简化,虽然可以得出结果,不过在计算过程中存在着诸多的不确定性及局限性,而且在科技高速发展的今天这种依靠人力的方法注定会被淘汰的。
一方面若是设计者产品设计经验不足,不但会使得设计周期大大加长,造成更多的人力和物力的浪费,还会使得产品存在较大的误差,从而影响产品的使用。
另一方面,这种方法不可能计算出轮齿轮缘和其它部位处的应力情况。
总而言之该计算方法的缺点极大。
理论抽象,计算量大,没有实验数据验证等都会阻碍其长久发展。
在科技日新月异的今天,如何获得更好的计算方法对齿轮进行更加准确的应力计算分析乃当务之急。
2.3.3齿轮有限元分析基本原理
1物理离散化
将某个元素构造离散成为各项连结单元而组成的计算模型,这一
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