自調(diào)位裝置中小齒輪的改造研究與有限元分析

任紹錦

(重慶望江工業(yè)有限公司，重慶 400071)

某廠煅燒爐自動調(diào)位裝置中，由具有自動調(diào)位功能的小齒輪為主動輪和從動輪大齒輪進行嚙合，此為重載低速的開式傳動齒輪副。在使用過程中其主要失效為齒面磨粒磨損，最后齒廓變尖而報廢。為了保證小齒輪的強度，增加小齒輪的嚙合次數(shù)并延長其使用壽命，優(yōu)化設(shè)計時，在保證小齒輪各種使用參數(shù)的前提下，采取將小齒輪的輪齒修整成鼓形和增大模數(shù)等措施。

1 小齒輪的功用

小齒輪(如圖1 所示)是自調(diào)位裝置(如圖2 所示)中與載荷直接作用的部件，是整個傳動系統(tǒng)中的重要部件，也是帶動載荷運動的齒輪副。載荷不均時，外力驅(qū)動小齒輪繞球體自動轉(zhuǎn)動，達到自適應(yīng)位置，使其受力均勻。

圖1 小齒輪結(jié)構(gòu)

2 小齒輪的受力分析

根據(jù)機械設(shè)計理論，齒輪在使用過程中承受最大的力是法向力Fn，法向力可以分解為相切于分度圓的圓周力Ft和半徑方向的徑向力Fr(見圖3)。根據(jù)各種參數(shù)的選擇，可得出法向力、圓周力、徑向力如下:

3 小齒輪有限元分析計算

3.1 有限元建模

利用ANSYS 軟件建模主要是通過創(chuàng)建關(guān)鍵點，再創(chuàng)建面，然后創(chuàng)建空心的圓環(huán)，將形成的面用布爾運算將面加在一起;再次創(chuàng)建齒廓的關(guān)鍵點，形成1 個單獨的齒，陣列齒后，進行布爾運算，將所有面形成一個整體，最后沿著面的法面進行拉伸形成1 個齒輪(如圖4 所示)。偏移工作平面，建立1 個實體圓柱，再進行布爾“減”操作，至此，小齒輪的建模也就完畢。

圖4 建模

3.2 有限元劃分網(wǎng)格

有限元劃分網(wǎng)格時，選擇單元屬性包括定義單元類型、實常數(shù)、材料屬性、楊氏模數(shù)、泊松比等，設(shè)定網(wǎng)格尺寸(控制網(wǎng)格密度)，開始網(wǎng)格劃分(如圖5 所示);劃分完以后進行網(wǎng)格檢查，查看在劃分網(wǎng)格時是否有劃分錯誤或不合理的網(wǎng)格，以保證求解時不發(fā)生錯誤以及結(jié)果的準確性。

圖5 網(wǎng)格圖

3.3 邊界條件設(shè)置與施加載荷

小齒輪主要受圓周力和徑向力，由此可知，齒輪的主要變形是扭轉(zhuǎn)和彎曲的組合變形。在此，主要分析的是在分度圓上單齒嚙合的極限狀態(tài)受力情況，邊界條件及載荷情況如圖6 所示。

3.4 有限元分析數(shù)據(jù)結(jié)果

在有限元分析軟件ANSYS 后處理器中能夠看到應(yīng)力云圖(見圖7)和位移圖(見圖8)的結(jié)果。應(yīng)力的最大值是40.548 MPa，X 方向最大位移值是-0.788 46 ×10-8mm，Y 方向最大位移值是-0.175 52 ×10-8mm。

4 結(jié)束語

通過小齒輪的優(yōu)化設(shè)計，減少了小齒輪的材料，降低了小齒輪的重量，增加了小齒輪的使用壽命(比原來小齒輪的使用壽命延長了30%)。利用有限元軟件進行計算分析，節(jié)約了小齒輪的生產(chǎn)時間，降低了其生產(chǎn)成本。通過對小齒輪的強度進行分析，有效地保證了小齒輪的使用安全，為企業(yè)的生產(chǎn)提供了強有力的支撐。

［1］邱宣懷.機械設(shè)計［M］.4 版.北京:高等教育出版社，1997.

［2］徐灝.機械設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1991.

［3］石光源，周積義，彭福蔭. 機械制圖［M］.3 版. 北京:高等教育出版社，1990.

［4］劉鴻文.材料力學(xué)［M］.3 版.北京:高等教育出版社，1992.

［5］朱張校.工程材料［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2001.

［6］任重. ANSYS 實用分析教程［M］. 北京:北京大學(xué)出版社，2003.

［7］葉先磊，史亞杰. ANSYS 工程分析軟件應(yīng)用實例［M］. 北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［8］倪棟，段進，徐久成，等.通用有限元分析ANSYS7.0 實例精解［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003.

［9］胡仁喜，王慶五，閆石，等. ANSYS8.2 機械設(shè)計高級應(yīng)用實例［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［10］周政平，覃國周.汽車驅(qū)動橋總成齒輪疲勞試驗系統(tǒng)［J］.客車技術(shù)與研究，2008(5):41 -43.

［11］張莉，朱波，王鼎龍，等.變速器齒輪沖擊試驗的加載方式研究［J］.客車技術(shù)與研究，2011(6):42 -43.