渗碳圆柱齿轮副啮合性能仿真分析

摘要

渗碳齿轮因其表面具有较强的承载能力，且心部具有良好的塑性和韧性等优点而被广泛应用于各种领域。齿轮渗碳后，渗碳部分各点的碳浓度均不相同，使材料属性呈现非线性。传统的接触强度计算方法仍将齿轮渗碳表面视为线性材料处理，使计算结果与实际值产生较大的误差，并且利用公式计算渗碳齿轮强度，无法对啮合齿面上任意点的应力强度值进行计算。基于此，本文提出了一种将渗碳部分分成多层均质层的建模方法，并利用有限元分析方法对渗碳齿轮啮合性能进行仿真分析。
　　为模拟齿轮渗碳后的非线性材料特性，将渗碳部分分成多层均质层以实现近似模型的建立，首先基于双三次B样条曲面获得轮齿齿廓曲面，然后以齿廓曲面为基面，利用曲面等距偏置来实现渗碳部分的分层，一般均质层层数越多，模型越精确，但层数过多会给建模增加难度。将齿轮齿廓曲面沿负法向方向偏移均质层厚度的距离得到第一偏置面，齿廓面与偏置面围成第一均质渗碳层，再以第一偏置面为基础向里偏置，生成第二层均质渗碳层，以此类推，得到齿轮渗碳部分的近似模型，为后期的瞬态啮合仿真分析奠定基础。
　　基于ANSYS的瞬态啮合分析方法对齿轮的啮合过程进行分析，在已获得的渗碳层模型基础上建立简化的渗碳齿轮副有限元模型，对其进行瞬态啮合特性分析，获得齿面及齿根任意时刻及位置处的应力分布，同时可以沿齿轮渗碳方向采用路径映射法对齿轮的剪切应力变化趋势进行研究，与常规建模的方法相比，采用本文提出的建模方法剪切应力变化趋势是先增大后减小，常规建模的剪切应力变化趋势是逐渐减小，获取渗碳齿轮副的最劣接触位置，最劣弯曲位置以及最劣剪切位置，为后续的静接触分析及疲劳分析提供依据。
　　为了获得更准确的分析结果，建立渗碳齿轮副全齿模型，在瞬态分析获得的最劣啮合位置处分别进行静接触分析，获取齿轮副最大接触、剪切应力，主、从动轮最大弯曲应力，并将有限元分析结果与传统方法计算结果进行对比。
　　对渗碳齿轮副疲劳性能进行研究的关键是载荷谱及S-N（应力-寿命）曲线的确定，以瞬态分析获得的应力结果作为疲劳分析的载荷谱，根据齿轮材料获得S-N曲线，分别将齿轮副摆到最劣接触、弯曲以及剪切啮合位置并基于Workbench进行疲劳分析，获得齿轮副的接触、剪切及弯曲疲劳寿命和安全系数分布，为齿轮进一步的校核和优化提供依据。

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摘 要

ABSTRACT

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Contents

1 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究综述

1.3 论文的主要研究内容

2 论文研究框架及思路

2.1 总体研究框架

2.2 研究方法与思路

2.3 本章小结

3 渗碳层参数化建模

3.1 双三次B样条曲面及其插值反算

3.2 渗碳圆柱齿轮轮齿齿廓曲面建模

3.3 渗碳层实体建模

3.4 本章小结

4 渗碳圆柱齿轮副瞬态啮合特性分析

4.1 建立渗碳齿轮副有限元模型

4.2 渗碳齿轮副瞬态啮合仿真分析

4.3 仿真实例

4.4 本章小结

5 渗碳圆柱齿轮副静强度分析

5.1 渗碳齿轮副静接触分析

5.2 渗碳齿轮传统强度计算方法

5.3 仿真结果与传统计算结果对比分析

5.4 本章小结

6 渗碳圆柱齿轮副疲劳性能分析

6.1 齿轮疲劳分析理论及方法

6.2 齿轮疲劳分析载荷谱及S-N曲线确定

6.3 渗碳齿轮副疲劳分析

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 论文总结

7.2 工作展望

参考文献

致 谢

攻读学位期间取得的学术成果和获奖情况