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基于负载的齿轮传动有限元分析

发布于:2018-04-10 19:02
有限元分析

       WN是空间点多接触啮合传动,比渐开线齿轮具有更好的承载能力。WN齿轮传动的强度设计涉及接触变形、摩擦润滑、系统误差及负载特性等,是多因素复合产生的损伤失效问题,所以应从WN齿轮的啮合特征、负载变化、系统误差等的相互影响进行综合分析研究。为此,本研究在文献齿轮啮合仿真接触分析的基础上,参考文献的原理和方法,依据齿轮的接触载荷变化,考虑系统误差及WN齿轮啮合特点,运用空间几何分析理论,建立该齿轮传动的接触有限元分析模型。WN齿轮与渐开线齿轮不同,啮合运动副的接触点不是沿齿高方向移动而是沿齿宽方向的螺旋线移动,WN齿轮通常是双圆弧轮齿,但其齿形构成有所不同,中国采用的是双阶式,日本和欧美采用的是无阶式双圆弧,有关上、下两圆弧的衔接方式,基于对传动和接触的影响,国内外学者和工程技术人员进行了深入的研究,其成果都在工程中得到应用。图是中国式WN齿轮啮合传动时齿面接触的三维有限元分析模型,本研究以齿轮传动主动轮齿-接触副-从动轮齿为研究对象,取凸凹圆弧齿面为三维几何接触模型,针对啮合中各种因素的复合影响,进行WN齿轮负载啮合实况和接触强度分析。
       WN齿轮与渐开线齿轮相比,虽有较高的接触疲劳强度,但是传动性能和接触应力会因系统弹性变形、中心距微小变化等引起显著的变化,WN齿轮与渐开线齿轮不同的是有多个接触点受力,啮合传动过程中其接触点沿齿宽方向移动,受力方向基本不变,但其接触点在齿高方向的位置将随中心距增减而上下移动,接触点在齿高方向移动的时候,受力方向发生变化对接触压力产生较大影响。图所示的是WN齿轮齿面接触区域的示意图。虽然理论上圆弧齿轮是点接触,但一般情况下齿轮的啮合接触区域是矩形或椭圆形的,这是接触弹性变形和跑合后凸凹曲面曲率变化所致。
       另外设计时考虑了制造误差、安装误差等因素的影响,为了避免轮齿比较尖锐的区域接触,轮齿凹曲面的曲率半径相比啮合的轮齿凸曲面的曲率半径要大一些。经过一段时间运转或跑合后轮齿曲面的曲率半径将会大小不同变化至使接触区域变成近似矩形。而渐开线齿轮的接触区域是狭长的矩形,即使运行跑合轮廓上的接触区域几乎没有改变,所以圆弧齿轮的接触面积要比渐开线齿轮大很多。WN齿轮的啮合齿轮副分别是2个凸凹圆弧螺旋曲面,根据两接触曲面的空间关系,研究把圆弧齿轮啮合的凸凹齿面近似地看作是一个橄榄球形体和一个马鞍形体的曲面接触,如图所示,与渐开线斜齿轮接触曲面的2个圆锥体不同,作为赫兹接触分析模型,用这2个3维曲面来代替两齿啮合齿面,由于WN齿轮啮合过程中齿轮副接触点数和同时参与啮合的齿轮对的变化,接触载荷也在急剧改变,对接触应力的计算带来直接影响,所以本研究首先参考文献的动载分析,对齿面接触载荷进行分析,图是WN齿轮啮合循环过程中载荷波动比值和轮齿啮合对数倍率变化曲线,由于系统误差和刚度的影响,实际的载荷的位置有所偏移,但总的趋势变化是相同的。研究得知,由于接触齿轮副和点数不同,1对齿啮合的载荷约为3对齿啮合的4.8倍。


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