塑料齿轮疲劳寿命分析报告

1、 1 齿轮 的疲劳破坏 疲劳是一种十分有趣的现象， 当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始 终没有超过材料的强度极限， 甚至比屈服极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载 荷重复作用下材料或结构的破坏现象就叫做疲劳破坏。 轮齿啮合一次。 啮合 如图 1 所示，F 表示齿轮啮合时作用于齿轮上的力。齿轮每旋转一周， or 随时间 t 的 时， F 由零迅速增加到最大值，然后又减小为零。因此，齿根处的弯曲应力 or 也由零迅速 增加到某一最大值再减小为零。此过程随着齿轮的转动也不停的重复。应力 变化曲线如图 2 所示。 图 1 齿轮啮合时受力情况 图 2 齿根应力随时间变化曲线

2、在现代工业中， 很多零件和构件都是承受着交变载荷作用， 工程塑料齿轮就是其中的典型零 件。工程塑料齿轮因其质量小、自润滑、吸振好、噪声低等优点在纺织、印染、造纸和食品 等传动载荷适中的轻工机械中应用很广。 疲劳破坏与传统的静力破坏有着许多明显的本质差别： 1) 静力破坏是一次最大载荷作用下的破坏； 疲劳被坏是多次反复载荷作用下产生的破坏， 它 不是短期内发生的，而是要经历一定的时间。 2) 当静应力小于屈服极限或强度极限时， 不会发生静力破坏； 而交变应力在远小于静强度极 限，甚至小于屈服极限的情况下，疲劳破坏就可能发生。 3) 静力破坏通常有明显的塑性变形产生；疲劳破坏通常没有外在宏观的显著

3、塑性变形迹象， 事先不易觉察出来，这就表明疲劳破坏具有更大的危险性。 工程塑料齿轮的疲劳寿命，是设计人员十分关注的课题，也是与实际生产紧密相关的问题。 然而， 在疲劳载荷作用下的疲劳寿命计算十分复杂。 因为要计算疲劳寿命， 必须有精确的载 荷谱，材料特性或构件的 S-N 曲线，合适的累积损伤理论，合适的裂纹扩展理论等。本文 对工程塑料齿轮疲劳分析的最终目的， 就是要确定其在各种质量情况下的疲劳寿命。 通过利 用有限元方法和 CAE 软件对工程塑料齿轮的疲劳寿命进行分析研究有一定工程价值。 2 工程塑料齿轮材料的确定 超高分子量聚乙烯 (UHMWPE) 是一种综合性能优异的新型热塑性工程塑料，它

4、的分子结构 与普通聚乙烯 (PE)完全相同，但相对分子质量可达 (14) 106 。随着相对分子质量的大幅 度升高， UHMWPE 表现出普通 PE 所不具备的优异性能，如耐磨性、耐冲击性、低摩擦系 数、耐化学性和消音性等。 UHMWPE 耐磨性居工程塑料之首， 比尼龙 66(PA66) 高 4 倍，是碳钢、 不锈钢的 7 8 倍。 摩擦因数仅为 0.07 0.11 ，具有自润滑性，不粘附性。因此，本文选用UHMWPE 作为工 程塑料齿轮材料进行研究。 UHMWPE 性能见表 1 。 由于 UHMWPE 导热性能较差，所以与其啮合的齿轮选用钢材料。这样导热性好、摩损小， 并能弥补工程塑料齿轮精

5、度不高的缺点。 2 啮合齿轮均为标准直齿圆柱齿轮，参数为： UHMWPE 齿轮齿数 30 ，钢齿轮齿数 20 ，模数 4mm ，齿宽 20mm ，压力角取为 20 表 1 超高相对分子质量聚乙烯性能 3 UHMWPE 材料齿轮疲劳分析模型的建立 齿轮在啮合过程中， 轮齿如同受线载荷的悬臂梁， 齿根所受的弯矩最大， 因此齿根处的弯曲 疲劳强度最弱。 当轮齿在齿顶处啮合时， 处于双对齿啮合区， 此时弯矩的力臂虽然最大，但 力并不是最大， 因此弯矩并不是最大。 根据分析， 齿根所受的最大弯矩发生在齿轮啮合点位 于单对齿啮合区最高点时。因此，在建立 UHMWPE 材料齿轮疲劳分析模型时，应该建立 载荷

6、作用于单对齿啮合区最高点。 由机械原理渐开线齿轮连续传动条件分析方法，可以得出单对齿轮啮合最高点。然后利用 CAXA 软件的齿轮建模功能和数据转换功能建立 UHMWPE 材料齿轮疲劳分析模型如图 3 所示。 图 3 UHMWPE 材料齿轮疲劳分析模型 4 利用 ANSYS 分析 UHMWPE 材料齿轮疲劳寿命 ANSYS 是以有限元分析为基础的大型通用 CAE 软件，是世界上第一个通过 IS09001 认可 的有限元分析软件。 因此， 通过准确地建立模型、 合理的网格划分与载荷施加以及边界条件 设定，就能得到可靠性较好的计算结果。 对于工程塑料齿轮， 由于其材料的力学性能、 热性能等都与金属材

7、料有很大区别， 其失效形 式及失效机理与金属齿轮也有很大区别。 由于塑料齿轮的弹性模量较低， 与钢齿轮啮合过程 中其赫兹接触区较大， 接触应力较小， 一般不会出现点蚀等表面失效， 所以轮齿在弯曲应力 作用下疲劳断裂或折断是塑料齿轮的主要失效形式。因此主要对 3 种情况下的 UHMWPE 材料齿轮的疲劳寿命进行分析。 4.1 UHMWPE 材料齿轮无缺陷情况的疲劳寿命分析 在利用 ANSYS 进行齿轮的疲劳分析前， 需要对 2 啮合齿轮进行接触分析。 按照上文所分析 的实际接触情况，确定 2 齿轮单齿啮合区域最高点位置，并定义接触类型为柔体对柔体的 面对面接触。 取钢齿轮啮合面为目标面， 用单元

8、 Targel69 来定义， 取 UHMWPE 材料齿轮啮合面为接触 面，用单元 Contal71 来定。可以从菜单 (Main Menu PreprocessorModeling Create Contact Pair) 进入接触向导，来建立目标面接触面的“接触对”。也可以采用其他途径建 立接触对，这属于 ANSYS 基本操作，本文不再详述。 接触对建立完成后进入静强度求解过程， 主动齿轮为钢齿轮， 传递力矩为 6N m， ANSYS 计算所得 UHMWPE 材料齿轮齿根处的应力如图 4 所示。从应力云图中可以看出：最大应 力发生在 UHMWPE 材料齿轮齿根处，节点号为： 2279 ，应力

9、值为： 32.1MPa 。 图 4 UHMWPE 材料齿轮齿根处应力云图 工程塑料齿轮 ANSYS 疲劳分析的步骤为：首先进入后处理 POST1 ，恢复数据库，然后提 取齿根最大弯曲应力处的节点应力并将其储存，并确定重复次数，最后采用 Miner 疲劳积 累理论计算疲劳寿命并查看结果。 UHMWPE 材料齿轮疲劳寿命预测需要的较关键疲劳性质是材料的 S-N 曲线，所研究的 UHMWPE 材料的 S-N 曲线如图 5 所示。 图 5 UHMWPE 材料 S-N 曲线 疲劳分析结果如图 6 所示。可见在文中所设定工作载荷下，该 UHMWPE 材料齿轮轮齿的 疲劳寿命为 132800 次，累计疲劳系

10、数为 0.75301 。 图 6 无缺陷 UHMwPE 材料齿轮疲劳计算结果 4.2 齿问存在熔接痕时 UHMWPE 材料齿轮的疲劳寿命分析 UHMWPE 材料齿轮注塑工艺复杂。 工艺控制不当很容易产生熔接痕等注塑缺陷。 因此， 对 存在熔接痕缺陷的 UHMWPE 材料齿轮进行分析，可以确定该缺陷的不同位置对齿轮疲劳 破坏的影响程度。这对工程塑料齿轮的注塑工艺，浇口位置安排等都有一定的指导意义。在利用 ANSYS 分析存在熔接痕缺陷的工程塑料齿轮时，将熔接痕等效为 I 型裂纹问题，并 采用 KSCON 命 (Main MenuPreprocessor MeshShape&Size Concen

11、trat KPs-Create) ，使 ANSYS 自动围绕熔接痕尖端关键点生成奇异单元，然后进行分析求解。 假设在两轮齿间存在一条长为 1.5mm 的熔接痕，熔接痕位置和尺寸如图 7 所示。 图 7 齿间熔接痕尺寸 疲劳分析结果显示： 在齿间存在较小熔接痕缺陷情况下， UHMWPE 材料齿轮轮齿的疲劳寿 命为 124600 次，累计疲劳系数为 0.80257 。疲劳产生的位置仍未齿根处。可见，齿间存 在较小熔接痕缺陷情况下，缺陷对 UHMWPE 齿轮疲劳寿命无较大影响。 4.3 齿根存在熔接痕时 UHMWPE 材料齿轮的疲劳寿命分析 假设在齿根处存在一条长为 1.5 mm 的熔接痕，熔接痕位置和尺寸如图 9 所示。 图 9 齿根熔接痕尺寸 疲劳分析结果为 : 疲劳破坏发生在熔接痕尖端， 如图 10 所示。齿轮轮齿的疲劳寿命仅为 5631 次。可见，在齿根存在较小熔接痕缺陷情况下齿轮很快进人疲劳并断裂破坏。 图 l0 疲劳破坏发生位置 5 结论与展望 对工程塑料齿轮的疲劳寿 1) 采用 ANSYS 有限元技术可以计算复杂边界条件下的疲劳问题， 命的确定有一定价值。 2) 通过 ANSYS 分析得出 :所研究的 UHMWPE 材料齿轮在