基于CATIA和ANSYS的微段齿轮的接触应力分析.doc

基于CATIA和ANSYS的微段齿轮的接触应力分析陈奇，赵韩，黄康（合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥230009，中国hfut.chen ）摘要：为了解决微线段齿轮的接触应力的计算，ANSYS（有限元分析软件）可操纵的齿轮模型使用CATIA（3D建模软件），然后是进口的模型从CATIA 到ANSYS，接触应力在ANSYS中得到结果。渐开线齿轮和微线段齿轮与相同参数的对比分析显示的文件。结果表明，在ANSYS可以解决微线段齿轮的接触应力和微段渐开线齿轮接触应力较低。因此，微线段齿轮比渐开线齿轮更好。关键词： 微线段齿轮；接触应力； CATIA ；ANSYS；FEM（有限元方法）一 简介微线段齿轮是一种新的齿轮，这是第一次由赵韩教授在1997年推出1，并于2004年，它拥有国家发明专利的保护（专利号：ZL2004100656163.3）2。齿轮有最小的牙数（34颗齿数），传动效率高，低的弯曲强度和接触应力3的特点。根据分部微型齿轮，一双微段的“凹凸”齿轮接触的原则。更重要的是，两个齿轮接触点的曲率半径有相同的值。图1显示了两个啮合齿轮的结构（）。图1 微段啮合状态以获得齿轮的接触应力，赫兹弹性接触理论第一次尝试。从赫兹理论4，它得到：其中，是最大的两个齿轮之间的接触应力;F是在接触点上的正压力;B是的齿轮宽度;是齿轮1和齿轮2在接触点处的之曲率半径；是接触齿轮1和接触齿轮2的泊松比;是齿轮1和齿轮2的弹性模量;由于通过赫兹弹性接触理论的结果是“零”，但结果是不符合实际的。错误产生的原因是原因是，那些接触点的曲率半径是相同的情况下无法进行分析赫兹理论的先决条件，因为使用Hertz理论，两个接触身体不能有同样大小的接触点。5研究微线段齿轮的计算，目前主要停留在定性分析，而不是定量计算。为了获得微线段齿轮的接触应力，并证明微线段齿轮比渐开线齿轮更好，有限元法是用在这里计算接触应力的微线段齿轮 6。二 微线段齿轮原理微线段齿轮的建立是以机架7的建立开始的，图2给出了微段机架的结构形式。图2 微段机架结构微段机架由两部分组成：上部和下部，对称布局奠定了沿剖面线PL。上部是由许多渐开线部分构成，如，等。由渐开线的两部分和组成。是和发生线，和的曲率半径分别是和。的组成和具有相同原理，但是基圆半径是和。基圆半径的每一块与初始压力角有一定的关系，压力角增量和初始基圆。与渐开线分部的数量不断增加，上部形成。下部与上部相同的原则，其原理是这里不作介绍。因为微段机架是由“凹凸”的部分组成，因此微线段齿轮加工微段机架，也由“凹凸”双接触。三 在CATIA中建立三维微线段齿轮模型建模过程分为三个步骤8-9：（1）整个齿廓方程方程式包含啮合齿廓和齿根过渡曲线，图3显示了一个微段的全牙图。机管局齿廓曲线是由三个部分组成，是主要的齿轮的齿廓; BC是齿根圆，AB是AA和BC连接的过渡曲线。图3整个齿轮的齿微段剖面图（2）解决牙齿的坐标根据上述公式，在牙齿上的坐标，可以得到由Delphi开发的程序，然后点的坐标值以“Excel”格式保存。（3）在CATIA中建模Excel格式的数据可以导入到CATIA得到的微线段齿廓，然后可以通过一系列命令，在CATIA中获得三维模型。在表1中对一对微线段设置参数，咨询参考文献10，该模型可以在CATIA得到如图4所示。图4 三维微线段齿轮在CATIA中的模型四 基于ANSYS的微扇形齿轮的接触应力分析在接触的有限元解的过程中，最重要的步骤之一是判断接触状态，这直接决定了成功的解决方案的过程。对于接触问题的有限元分析，ANSYS提供三种接触式通过“点 - 点”，“点 - 面”和“面 - 面”来解决不同的问题，通常“面对面”接触方式是用在齿轮接触应力的分析11-12。A接触齿轮的几何模型的建立利用上述结果，可以在CATIA中建立两啮合齿轮的几何模型。为了提高有限元计算的效率，从而选择三齿的齿轮。齿轮啮合通过限制分度圆上的距离和角度来组合。几何模型可以通过在CATIA中保存的“模型”文件导入到ANSYS中。在ANSYS的模型如图5所示。图5 在ANSYS中的几何模型B设置单位类型因为它是一个平面的问题，所以这里选择后期元素PLANE182。C 啮合设置为六个网格精度，啮合的结果在图5显示。D接触对的定义选择小齿轮和大齿轮齿形上所有相应的节点，并创建一个节点集名为Nodes1和Nodes2。根据向导按钮的接触对定义，小齿轮作为目标的表面和大齿轮为接触面。那么，“面对面”接触样式设置和接触对的定义完成。E设置约束和载荷然后的坐标系统转换为圆柱坐标系，小齿轮内缘上的节点是固定的径向位移，大齿轮内边缘上的节点得到各方向的固定。载荷对齿轮的扭矩。在ANSYS中具体方法添加载荷是转换扭矩的切向力“”，然后把他们放入“Nodes1”的节点集。切向力“”，可以得到如下：这里是小齿轮的扭矩; n是内边缘节点的个数; 为内边缘的半径。加入负载后啮合，该模型显示为图6。图6 加负荷和网格后的模型F解决方案在分析选项（解类型）下拉列表中，选择“大位移静态”，并设置计算时间是1，载荷步是20，然后模型就可以解决了。G结果和分析图6给出了微线段齿轮的接触应力的轮廓情节。图8给出了与微线段齿轮13在相同条件下的渐开线齿轮的接触应力图。渐开线齿轮的参数与微线段齿轮的是相同的。它们都是，模m = 2，增编系数ha*=1，顶隙系数c*=0.25，螺旋角，齿宽B=17。从图7和图8，可以得到微线段齿轮的接触应力低于渐开线齿轮。图7微线段齿轮的接触应力等高线图图8 渐开线齿轮的接触应力等高线图五 结论（1）通过建立CATIA软件和模型导入ANSYS软件的微线段齿轮模型，在ANSYS建模困难得到