基于ANSYSWORKBENCH的齿轮接触应力分析_蓝娆

有上图可知：齿轮最大接触应力出现在 接触齿轮的齿根圆角处，最大值为 97.114MPa。在齿轮啮合过程中，齿根圆角处 是最容易发生断裂的地方，这也是齿轮的主 要失效形式。根据参考文献[2] ,齿轮接触应 力 σH 校核公式如下：
（1）
公式中：ZH-区域系数 （标准直齿轮 α= 20°时，ZH=2.5）；ZE- 弹 性影 响 系数 ，单位 为 MPa1/2；θd-齿宽系数；K-载荷系数；T1-小齿轮 传递的转矩，单位为 N·mm;d1-小齿轮的节圆 直径，对标准齿轮即为分度圆直径，单位为 mm；u-两齿轮的直径或齿数比；
ANSYS Workbench 是用 A NS YS 求解 实际问题的新一代产品，它是专门从事于模
型分析的有限元软件，拥有与 CAD 的无缝接 口、新一代的参数化建模工具，其强大的分析 功能可以很准确地反映实际物体的状态。可 进行静力学分析、动力学分析、非线性分析 等。本文从柳州市采埃孚机械有限公司实际 问题出发，建立齿轮接触对的三维有限元模
这将为齿轮的生产带来极大的方便。利用 CAD 软件 UG，其与 ANSYS Workbench 可以 实现无缝连接，其参数化建模功能和有限元
分析模块可以在同一平台完成，避免了从
CAD 软件到 CAE 软件的转换，提高了设计效 率，同时又有利于设计数据的统一管理。本文 所分析齿轮的设计数据：模数 m=12mm；齿数 z1= 21，z2=42；压力角 α=20，直齿圆柱齿轮的 齿廓为渐开线，其笛卡尔坐标下的渐开线参
中 图 分 类 号 ：TG457.25
文 献 标 识 码 ：A
引言
齿轮是传动系统中承受载荷和传动动力
的主要零部件，也是最容易出故障的零件之
一。据统计，在各种机械故障中，齿轮失效就 占总数的 6 0 ％以上，其齿面损坏又是齿轮 失效的主要原因之一。因此，工程中需要发大 量工作对齿面强度及其应力进行分析。
高新技术
中国新技术新产品 2011 NO.15
China New Technologies and Products
基于 ANSYS WORKBENCH 的齿轮接触应力分析
蓝 娆 1 杨良勇 2 罗昌贤 3
(1、柳州市采埃孚机械有限公司，广西 柳州 545007 2、四川工程职业技术学院，四川 德阳 618000 3、广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州 545007)
摘 要：在理论分析的基础上，建立齿轮接触对的有限元模型，在有限元分析软件 ANSYS Workbench 建立接触对，添加约束和加载，
得到齿轮接触应力大小，齿轮应力集中主要发生在齿根圆角处，和理论计算分析对比。得出相关结论为以后齿轮接触的有限元分析
提供了依据。
关键词：齿轮接触对；ANSYS Workbench；接触应力；有限元分析
由上述公式对齿轮的接触应力进行验 算，求得最大接触应力为 112.8M P a ，理论 值的误差为 16%, 通过有限元建立的模型是 比较准确的，常规齿根弯曲应力计算倾向于 安全的考虑，偏于保守，而利用有限元计算的 结果的更接近实际情况。
3 结语 本文主要完成齿轮接触对的 UG 参数化 建模，随后在有限元软件 ANSYS Workbench 进行仿真分析，计算出齿轮的接触应力，得到 相关结论。设计人员无需对齿轮受力做大量 的计算和研究，就可以基本掌握齿轮的受力 和变形情况，进行强度细节分析,并可利用有 限元计算结果,找出设计中的薄弱环节，进而 达到对齿轮传动进行改进设计的目的。提高 了工作效率，又节省了大量的人力物力。降低 了成本，提高了生产效率。
图 1 齿轮参数化表达式
图 3 齿轮接触对应力分布图
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数方程为：ìïïï íïïïïî
源自文库
x=(db/2)*cos(s)+(db/2)*rad(s)*sin(s) y=(db/2)*sin(s)-(db/2)*rad(s)*cos(s) z=0
式中，S 为参数方程的参数,0°≤S≤90°;
图 2 齿轮接触对模型
db 为基圆直径；rad 表示 S 角度换为弧度。 在 UG 参数化建模下的表达式为图 1,建
参考文献 [1].程文冬，曹岩.直齿轮啮合疲劳强度的有限 元仿真与失效分析 [J]. 西安工业大学学报， 2010（6）：239-242. [2].濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教 育出版社，2001. [3].刘海娥，张思婉.基于 ANSYS 的渐开线啮 合 齿轮 有 限元 分析 [J]. 机 械制 造 与 研 究 ， 2010，39（1）：28-29. [4].陈斌，尹明德。基于 CATIA 的直齿圆柱齿 轮参数化建模与有限元模型[J].机械工程与 自动化，2010（6）：69-70.
型，在有限元分析软件 ANSYS Workbench 计
算得到齿轮接触对的接触应力，与传统理论
计算公式得出比较，为齿轮的快速设计和进
一步的优化设计提供条件。 1 齿轮参数化建模 齿轮的设计，加工，生产是一个复杂、严
格的过程 ，如果能够实现齿轮在设计上的参
数化建模，那么就避免了齿轮的反复设计，每
次只要改变参数就能得到自己想要的齿轮，
立两个齿轮接触对的模型如图 2： 2 齿轮啮合有限元分析 2.1 材料属性 大 齿 轮 材 料 为 45# 钢 ， 弹 性 模 量 E =
209GPa，泊松比 t=0.269;小齿轮材料为 40Cr， 弹性模量=211Gpa，泊松比 t=0.277。
2.2 接触对建立 ANSYS Workbench 支持三种接触方式： 点 -点，点-面，面-面，每种接触方式使用的 接触单元适用于某类问题。本文的齿轮接触 采用面-面接触的方式进行。设置两对接触 对，其中大齿轮为目标单元，小齿轮接触单 元，摩擦系数为 0.06，摩擦因子为 1.05。 2.3 约束及加载 约束大小齿轮的中心轴的轴线上的所有 节点 的 Ux，Uy，Uz，ROTx 和 ROTy 方 向 的 自 由度，使两个齿轮只能绕 z 方向转动。同时由 电机输入功率计算在小齿轮轴输入转矩 100N·m。 2.4 结果分析及对比 在完成材料属性设置、网格划分、接触对 建立、约束和加载后，在有限元分析软件 ANSYS Workbench 接触齿轮 对 啮合 处应 力 分布图如图 3：