直齒圓柱齒輪淬火殘余應力分析

張京輝

摘要：直齒圓柱齒輪的使用很廣泛，作為機械零部件中最重要部件，齒輪的應用壽命對機械零件的壽命有很深的影響。因此研究齒輪的使用壽命非常重要。基于ABAQUS有限元軟件對齒輪進行淬火殘余應力分析。

Abstract： Straight tooth cylindrical gear is widely used， as the most important part of machinery parts ， the service life of gear has a deep impact on the life of machinery parts.So it is very important to study the service life of gear.The quenching residual stress of gear was analyzed based on ABAQUS finite element software.

關鍵詞：淬火介質;殘余應力;數值模擬;ABAQUS

Key words： hardening agent;residual stress;numerical simulation;ABAQUS

中圖分類號：TG162.73? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0041-02

0? 引言

20crmnti是低碳鋼，常用來作為制造汽車、摩托車、各種工程機械的傳動齒輪。正常工藝下齒輪需要經過淬火工藝處理增加其性能強度，但由于淬火過程中工件形狀導致不同部位的冷卻速率不均勻，會產生淬火殘余應力及工件變形問題[1-4]。淬火殘余應力會導致齒輪產生裂紋，甚至減少齒輪使用周期。

1? 有限元模型分析

1.1 幾何模型

分析的齒輪幾何模型如圖1所示。小齒輪齒數為36，大齒輪齒數為45，模數為2，齒寬30mm，壓力角20度。

1.2 約束邊界條件和初始條件定義

齒輪內側受到主軸影響，約束其法向的位移。齒輪側面約束法向位移。

齒輪進行分級淬火：①油淬：初始條件為齒輪淬火的初始溫度（C860度），載荷為對流系數1HF （隨溫度變化而變化），邊界條件為油的溫度（80度），大約時間600s;②空氣中冷卻：初始條件為齒輪油淬結束后的溫度，載荷為對流系數2HF （空氣中為常數），邊界條件為空氣的溫度（取25度），大約時間為1800s[5-7]。

2? 齒輪數值分析

2.1 溫度結果分析

淬火過程中，齒輪內側溫度相比外部溫度較高，這是由于外部與環境接觸面積較大，因此散熱較快。當淬火10s時，齒輪內側最高溫度仍保持860度初始溫度，而外溫度已降低至約400度。當淬火60s時，最高溫度約為410度。當淬火600s時，最高溫度約為79度。當淬火1800s時，最高溫度約為74.5度，大齒輪比小齒輪的溫度略高。（圖2）

齒輪內沿徑向溫度場分布逐漸降低，當淬火時間較短時，沿徑向的溫度差異越大，當淬火時間較長時，沿徑向的溫度差異較小。

2.2 殘余應力結果分析

為了觀察齒輪內部沿徑向的應力變化，繪制了如圖3所示的應力分布曲線。由圖3可知，隨著時間的增加，齒輪內沿徑向的應力分布趨勢會發生改變，在600s內時，齒輪外側應力比內側應力大，在600s后，這種變化趨勢正好相反。

為了進一步觀察齒輪最大應力隨時間的變化，繪制如圖4所示曲線。由圖4可知，隨著淬火時間的增加，一開始，結構的應力增大，當歷時50s后，應力迅速降低，隨即在200s后又迅速增加，在500s后，應力逐漸趨于平穩。當歷時1800s后，齒輪的最大應力約為1.2GPa。

3? 結論

①淬火溫度沿徑向方向緩慢降低，淬火溫度越低，徑向溫度梯度越大，反之而越小。②齒輪應力變化隨時間變化存在差異，600s內，外側應力比內側應力大，600s以后反之外比內小，主要原因是溫度的變化導致的。③應力先增大后降低再升高，后趨向于平穩。導致這樣的原因是齒輪在淬火過程中相的不同變化引起的，因此我們研究殘余應力時必須考慮相變的影響。

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