塑料齿轮疲劳寿命分析

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。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，轮齿啮合一次。啮合 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or随时间t的变化曲线如图2所示。时阊t/s图2齿根应力随时间变化曲线在现代工业中，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

2、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

3、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) X106。随着相对分子质

4、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 2

5、0,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材吸水車对钢的 摩擦因畫UHMm1.4Modeling Create Con tact 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，应力值为：32.1MPa。图4 UHMWPE材料齿轮齿根处应力云图工程塑料齿轮 ANSY

6、S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。S-N曲线，所研究的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UHMWPE材料的S-N曲线如图5所示。6050403020101D11010*10T帝环次敷图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，累计疲劳系数为 0.75301。racii itria taijvui in wX1H A i -mW?fW

7、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 Concentrat KPs-Create)使ANSYS自动围绕熔接痕尖端关

8、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10疲劳破坏发生位置5结论与展望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，对工程塑料齿轮的疲劳寿命的确定有一定价值。2）通过ANSYS分析得出：所研究的UHMWPE材料齿轮在无缺陷情况下的疲劳寿命远高于 齿根存在熔接痕情况下的寿命。3）当熔接痕靠近UH