基于ANSYS的齿轮运动学和静力学仿真分析

• 54 •内燃机与配件基于ANSYS的齿轮运动学和静力学仿真分析
黄如周淤;张伟雄于
(①珠海格力精密模具有限公司，珠海519070;②清远职业技术学院，清远511510)
摘要：为了解决在注塑模的螺纹抽芯机构中齿轮的选用问题，详细阐述了利用A N SYS有限元分析软件对齿轮传动作运动学和 静力学仿真分析，使得能够合理选用液压马达及优化齿轮的结构设计，从而提高齿轮的使用寿命。

关键词院齿轮;ANSYS;仿真；螺纹抽芯机构；注塑模
0引言
在注塑模的抽芯机构中常用齿轮传动结构进行抽芯，
然而齿轮由于几何形状、载荷工况及材料力学性能的原因
常常会发生失效。

一般来说，齿轮的失效通常都集中在轮
齿部分，主要的失效形式有：轮齿折断、齿面磨损、齿面点
蚀、齿面胶合、齿面塑性变形等五种。

圆柱齿轮主要有两种
失效形式，即接触疲劳失效和弯曲疲劳失效。

弯曲疲劳主
要发生在齿根部，这是因为齿轮在载荷作用下，其根部所
产生的弯曲应力最大，且在齿根过渡圆角处有应力集中[|]。

同时，齿轮在转动过程中使轮齿重复受载，在交变应力反 复作用下，齿根处将产生疲劳裂纹，裂纹扩张导致轮齿弯 曲疲劳折断[2]。

本文将以带有螺纹的塑料产品作为注塑模中抽芯结 构的分析依据，并运用ANSYS有限元分析软件通过对齿 轮静力学和运动学仿真分析[3]，可得到抽芯齿轮机构中主 动轮上的转矩大小，为液压马达的选择作出数据支撑。

通 过静力学仿真分析，计算出齿面的接触应力和齿根的弯曲 应力，从而可通过材料和结构的优化减小齿面接触应力和 齿根弯曲应力。

1分析过程
1.1包紧力计算
根据注塑模具中关于抽芯机构的原理，要将产品的螺 纹部分从模具型芯中旋转脱出，则必须先考虑产品的包紧 力，因此要先对其包紧力进行计算。

此处采用经验公式来 计算该产品的抱紧力[4]，同时考虑到该产品的复杂程度，将 模型进行简化分成五个部分，分别如图1所示。

材料属 性如表1所示。

1.1.1第一段径向包紧力
第一段可以视为圆筒环，其尺寸为：H=8.5mm;t= 3.5mm;R1=32.65mm;R2=36.15mm。

厚径比为 3.5/36.15< 0.05，为薄壁圆筒。

可以采用经验公式算出塑件对型芯产 生的径向包紧力：
P=2n H t E€t(1)式中：H为塑件高度；
基金项目：本课题获广东清远职业技术学院2016年度精品在线 开放课程项目资助（JK16003 )。

作者简介：黄如周（1984-),男，广东汕头人，塑胶模具工程师，本 科，主要研究方向为塑胶模具、3D打印；张伟雄
(1986-),男，广东梅州人，井师，在读硕士，主要研究
方向为机械工程、模具CAD/CAM。

图1产品塑件零件图
表1产品塑件材料属性
名称参数
弹性模量E(M Pa)
泊松比滋
弹性应变着
1340
0.392
0.0124
t为塑件的壁厚；
E为塑件在脱模温度下的弹性模量；
st为塑件的周向应变，即塑件的瞬时收缩率；
R,为塑件的内半径；
R2为塑件的外半径。

第一段径向包紧力计算得:P1=3104.4N
1.1.2第二段径向包紧力
第二段为带有螺纹的圆筒环，其尺寸为：H=18mm；R,=31.5mm;R2=36mm;螺纹倾角为45。

，简化模型为高度 为H，cos45。

圆筒环。

p_I t t R^HE e
采用经验公式：R2-r\+^(2)
式中：滋为泊松比。

第二段径向包紧力计算得:P2=10263.2N
1.1.3第三段径向包紧力
第三段也视为圆筒环，其尺寸为：H=8.5mm;R,= 29.44mm;R2=36mm;t=7mm;为厚壁圆筒，可以采用经验公 式(2)，算出塑件对型芯产生的径向包紧力：P3=4899.1N
1.1.4第四段径向包紧力
第四段为带有筋条的圆筒环，先不考虑筋条作用，其 尺寸为：H=31mm;R1=26.4mm;R2=30.5mm;t=3.75mm。

而筋 条能增加接触面积，提高包紧力，但是筋条能减少成型变 形，故综合考虑，在厚壁圆筒包紧力的基础上乘以1.1，采 用经验公式算出塑件对型芯产生的径向包紧力：4= 10847.4N
1.1.5第五段径向包紧力
第五段也就是底部收缩对型芯产生的径向包紧力，其 经验公式为：
P=2仔RtEe/(1-滋)
(3)
Internal Combustion Engine & Parts• 55 •
式中：R为塑件的底半径；
t为塑件底部的壁厚。

其底部尺寸可以初略测量为t=4.8m m;R=30.5mm;则底部收缩对型芯产生的径向包紧力为：P5=24714.1N 考虑塑件是通过型芯转动来使塑件沿螺纹旋出，从而 实现塑件从模具型芯中脱出。

由于螺纹倾角为45。

，则对
根据具体模型的工况情况、约束和载荷设置，齿轮均 采用Revolute-Ground支撑，在3号齿轮和5号齿轮上施 加大小为328N*m的扭矩，在1号主动轮上施加25。

的转 角。

通过运动学的仿真分析得出1号齿轮上的扭矩，以此 来选取液压马达的参数。

经分析齿轮齿根处的折断为疲劳 折断，所以选择的是平稳运转工况下时1号齿轮的扭矩为
其上部分塑件的脱模力F q作用在螺纹处的受力分析如图 2所示。

FQ=Ff，FQ可被模具板的支撑力所抵消，而F f则增 加了塑件对型芯的包紧力。

图2螺纹部分受力分析
1.1.6脱模力矩计算
根据带螺纹塑件的抽芯原理，螺纹部分的模具型芯要 转动就必须克服塑件抱紧型芯而产生的摩擦阻力，同时还 需要克服大气压对塑件的作用力。

其表达式可以写为：Q=(F-+F3).f+F4(4)
式中：Fi〇n l=Pl+P2+P3+P4+P5;
F3为大气压对侧壁的压力；
F4为大气压对底部的压力；
f为塑件与型芯的摩擦系数，取0.176(已考虑安全系数）。

算得：Q=9804.7N
等效齿轮扭矩为：M=Q*R=326N-m
1.2运动学分析
接着将根据模具上的螺纹抽芯结构需要，对整体齿轮 的传动机构进行运动学仿真，以此来得出主动轮上所需求 的扭矩大小，为液压马达的选取提供数据。

1.2.1建立齿轮机构运动学仿真模型
齿轮机构运动学仿真模型[5」，如图3所示。

图3运动学仿真模型
1.2.2设置具体模型的状态参数442N.m。

1.3静力学分析
最后，通过运动学得出的数据对齿轮进行结构强度的 校核，建立结构的静力学仿真模型如图4所示[6]。

0.00 45.00 90.00 (m m)
图4静力学仿真模型
1.3.1材料参数
分析中所使用材料的力学性能参数如表2所示。

表2材料力学性能参数
材料名称45#钢
密度(kg/m3)7850
弹性模量(G;P a)209
泊松比0.269
屈服极限（M Pa)620
安全系数 1.5〜2
包紧力（N*m)330
1.3.2网格划分
模型网格划分方法：Face Sizing为3mm、Contact Sizing 为 0.5mm、Refinement等级为 3。

1.3.3设置边界条件
在1号主动轮上施加转动副，2号从动轮全约束。

1号主动轮上施加442N•m的转矩，1号和2号齿轮接触为无 摩擦接触。

1.4分析计算结果
图5为模型的变形云图，图6为模型整体的等效应力 云图。

图7和图8分别为1号齿轮和2号齿轮齿根处的弯 曲等效应力。

经过计算，得到在该约束和转矩下，整体模型 的最大应力为383MPa,最大变形为0.03mm。

1.5优化分析
通过等效应力云图可以得知，齿根处的最大应力已经 超过了齿轮的许用应力，因此需要对齿轮进行结构的优 化。

齿轮强度优化一般可以选择强度更高材料、增加重合 度、增加齿厚、增加齿根处倒角半径、在薄弱齿轮某侧加圆 盘结构增强等方法。

现在通过改变齿根圆角半径、齿轮厚度进行优化分 析。

仿真分析结果如图9至图12所示。

其中从图9
可以看
• 56 •内燃机与配件
组合式凸轮轴的技术研究
张光辉;王少辉
(海马汽车有限公司）
摘要：凸轮轴作为发动机配气机构的核心零部件，又是发动机的三大关键摩擦副之一。

应用更先进的凸轮轴，对提升发动机的性 能有着举足轻重的意义。

Abstract：Camshaft as the key component of engine valve train,is also one of three engine friction area.Employing of more advanced camshaft,has enormous significance to advancing performance of engine.
关键词：发动机;组合式凸轮轴
Key words：engine；assembled camshaft
1概述
凸轮轴的作用是：驱动和控制各缸气门的开启和关 闭，使其符合发动机的工作顺序、配气相位和气门开度的 变化规律等要求。

凸轮轴与从动件在高接触应力下循环工 作，由于凸轮轴特殊的工作环境，因此对凸轮轴有着极高 的要求，比如低摩擦性能、抗接触疲劳能力、抗腐蚀性、较高的刚度等。

随着汽油机应用各种先进的技术，如增压直喷，米勒 循环，W L、停缸等，进一步提升发动机升功率、升扭矩，降低油耗及排放。

对凸轮轴也提出了更高的要求，不但保证其性能和可靠性，还希望具备强度高、刚度大、重量轻，灵活性强等特点。

一般的传统凸轮轴无法满足上述要求，因此需要转向组合式凸轮轴，以满足人们的要求。

2组合式凸轮轴的特点
组合式凸轮轴有别于传统的整体式凸轮轴，整体式 凸轮轴是整体铸造或锻造，再进行热处理、粗加工、精加 工、抛光等工艺。

组合式凸轮轴一般是凸轮、端头、信号盘 等单独加工后，按照一定的角度通过过盈配合装配到中 心轴上。

2.1产品的结构优势
图5模型的变形云图 图6模型整体的等效应力云图
■~
8L;
U
图7 1号齿轮齿根处的 图8 2号齿轮齿根处的弯曲等效应力 弯曲等效应力
i J W I T M U
in.
L l
图9材料为738图10圆角半径1.5mm
—
A
m m
|f^
L 图11圆角半径25mm图12齿宽30mm
出，虽然齿根处的等效应力无明显变化，但是738的屈服 极限为827MPa，能够满足许用应力大于弯曲应力。

1.6分析结论
通过以上的分析，可以得出如下的结论：
①选取R-100的液压马达，注塑机液压系统提供的 工作压力不低于5MPa和流量不低于60L/min；②齿轮齿 根处的圆角半径由原本的1mm改为1.5mm，保证齿根处 的等效应力小于310MPa；③要提高齿轮加工的精度和提 高重合度。

2结语
在工程领域中，有限元分析方法应用非常广泛，通过 ANSYS对注塑模中螺纹抽芯所需的齿轮传动结构进行仿 真分析，可以为液压马达选用、齿轮结构优化等方面提供 有用的参考。

不过由于塑件包紧力的求解目前仅能通过经 验公式进行计算，因此有关于包紧力的仿真仍需要深入研究，并且由于材料的S-N曲线没有太多实验数据支撑且 缺少专业的疲劳分析模块，因此在齿轮的疲劳寿命方面还 需要进一步校核。

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