基于UG NX和ANSYS的減速箱漸開線圓柱齒輪有限元分析

摘要:通過三維機械設計軟件UG NX構建直齒圓柱齒輪幾何實體模型，運用有限元分析軟件ANSYS對齒根進行應力分析計算，計算出齒輪的最大應力和最大應變。通過與理論分析結果的比較，說明ANSYS在齒輪計算中的有效性。有限元分析有利于對齒輪傳動過程中力學特性進行深入研究，為齒輪傳動的優化設計提供了基礎理論。

關鍵詞:直齒圓柱齒輪應力分析ANSYSUG失效

中圖分類號:TH132.417:O242.41文獻標識碼:A文章編號:1672-3791(2011)02(b)-0110-02

齒根彎曲疲勞折斷是齒輪主要失效形式之一，因為在載荷的多次重復作用下，齒根處產生的彎曲應力最大，且齒根過渡部分的截面突變及加工刀痕等引起的應力集中作用，當齒根處的交變應力超過材料的疲勞極限時，最終會造成輪齒的彎曲疲勞折斷，因此，需進行齒根彎曲強度計算。

本文利用三維設計軟件UG NX4.0對齒輪進行實體建模，通過軟件數據接口實現數據傳遞，從而把所建立的實體模型導入有限元分析軟件ANSYS11.0中，然后通過ANSYS對齒輪進行網格劃分，加載求解，進行應力場分析，計算出輪齒傳動過程中所受的最大應力、應變等，得到了齒根處最大彎曲應力，進行了齒根彎曲強度校核。

1直齒圓柱齒輪幾何實體模型的建立

由于ANSYS有限元分析軟件幾何建模功能的限制，采用UG NX6.0建立直齒漸開線圓柱齒輪實體模型。鑒于漸開線輪齒的復雜性，本文采用了UG NX6.0的齒輪插件來繪制齒輪。輸入想要繪制的齒輪參數(模數、齒數、壓力角、齒頂高系數、頂系系數、齒輪厚度、齒輪孔直徑)，如圖1所示，就可生成齒輪幾何模型，完成建模，為了便于分析，提高運算效率，通過實體修剪，取三齒幾何模型進行分析，將其保存為.prt文件格式。

本文所要分析的齒輪參數如下:齒輪轉速n=1460r/min，傳動功率P=50kW，模數m=4，齒輪齒數z=19，壓力角α=20°，齒輪厚度34mm。

2數據傳遞

在UG 6.0中創建的保存為.prt文件格式的幾何模型，ANSYS軟件可以自動識別和導入.prt三維實體數據格式，從而實現UG和ANSYS的數據傳遞，齒輪幾何模型以體形式導入到ANSYS中。

3ANSYS有限元分析

3.1 選擇材料及網格單元劃分

齒輪的材料為45鋼，查其力學性能為彈性模量E=1.93×105MPa，泊松比=0.29，對齒輪模型用Solid92網格劃分，Solid92是三維10節點四面體結構實體單元，在保證精度的同時允許使用不規則的形狀，Solid92有相同的位移形狀，適用于曲邊界的建模。每個節點有三個自由度，同時Solid92有塑性、蠕變、應力強化、大變形和大應變的功能。網格劃分后的單元數是6997個，節點數為11407個。

3.2 約束條件和施加載荷

(1)約束條件。

本文是對齒輪采取靜強度分析，將齒輪內孔固定，使其在x，y，z方向位移為0，繞 x，y和z軸的轉動角度為0。

(2)施加載荷。

齒輪是靠外界輸入轉矩而轉動的，輪齒在嚙合時，沿嚙合線作用在齒面上的法向載荷Fn垂直于齒面，對輪齒的加載，從安全性的角度出發，在齒頂圓的頂部施加法向載荷。為了加載方便，將法向載荷Fn在齒頂接觸線上分解為兩個相互垂直的分力，即圓周力Ft與徑向力Fr，其計算公式為:

T=9.55×106P/n

Ft=2T/D

Fr=Fttanα

式中:T為傳遞的轉矩，N·mm;

D為分度圓直徑，mm。

由齒輪轉速n=1460r/min，傳動功率P=50kW，計算得到Ft=8606.71N，Fr=3569.35N，在ANSYS中加載到X和Y方向。

3.3 計算求解及后處理

通過加載轉動力矩，由于齒輪內孔已被約束，使輪齒產生變形，利用ANSYS軟件的強大求解功能，可以求解出每個節點的應力場和應變場，如圖2、圖3所示，并通過不同的顏色反映在實體模型上，計算的結果可以從應力圖及應變圖上看出，輪齒產生的最大應力為166MPa，發生在齒根的邊緣，這與實際情況相符輪齒，產生的最大應變為0.0123mm，發生在齒頂。

查有關手冊，從計算結果可以看出，輪齒所受的拉應力沒有超過材料的許用壓應力，齒輪的校核滿足強度要求。

4結語

通過UG NX4.0建立齒輪幾何模型，ANSYS進行有限元分析計算，能夠真實地反映輪齒的實際受力狀態，說明了有限元模型建立的正確性。從輪齒應力云圖可以看出，其應力集中主要發生在齒根圓處，在正常的齒輪嚙合過程中此處最容易折斷，這是齒輪的主要失效形式。齒輪在高速轉動時沿齒面切向會產生摩擦，因而會產生熱應力，在某些重要場合下，不可忽略溫度因素，用ANSYS軟件可進一步作熱應力以及熱—力藕合分析。

參考文獻

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