渐开线直齿轮接触动态特性有限元分析

摘要

齿轮是机械设备中动力和运动传输的关键部件，广泛应用于汽车、风电、航空、船舶等领域。目前齿轮朝着高速、重载的趋势发展，对齿轮运行的稳定性和可靠性提出了更高的要求。建立合理的齿轮模型，深入研究影响齿轮啮合传动的各个因素，对提高齿轮承载性和传动平稳性、节约设计时间和实验费用有一定的实际意义。本文建立了带轴的齿轮传动模型，基于有限元法研究了轴长、转速、负载对齿轮啮合接触冲击特性和动态接触性能的影响和轴及负载对齿轮啮合刚度的影响。本文主要研究内容如下:
　　(1)基于赫兹接触理论推导出齿轮接触应力的计算公式，论述了解决接触问题的有限元算法及一般流程并总结求解接触动力学问题的相关技术要点，为齿轮的啮合接触分析奠定理论基础。
　　(2)基于直齿轮渐开线齿廓面的形成原理，实现齿轮三维参数化建模。考虑到轴变形对齿轮动态啮合性能的影响，本文建立了轴系与齿轮的联合传动有限元模型，通过几何分块对齿轮模型进行映射网格划分，优化有限元网格模型，为客观、准确的分析齿轮接触动态特性做了必要的准备。
　　(3)基于已建立的齿轮传动有限元模型，对齿轮的接触动态特性做了深入研究。分析出齿轮在啮合过程中接触应力的变化和分布情况，得到接触应力沿齿廓和齿面方向的分布规律。结果表明基于轴系和齿轮联合传动模型的动态接触分析可以准确、实时的模拟齿轮的动态啮合过程，为齿轮设计提供参考和依据。
　　(4)考虑齿轮传动系统工作情况的多变性，以轴长、转速、负载三个典型的条件因素为例，建立对比分析模型，研究各个因素对齿轮动态啮合性能的影响。结果表明:轴长对齿轮的齿面应力分布情况影响较大;转速对齿轮的啮合冲击特性影响较大，在本文模型下，当转速达到200rad/s时，从动轮转速冲击振幅急剧增大，分析结果为齿轮系统选择合理的转速区间提供指导;在一定范围内负载变化对从动轮转速振幅影响较小，但随着负载的增大，齿面接触应力显著增大。
　　(5)齿轮单、双齿交替啮合时，由轮齿弹性变形引起的刚度激励使齿轮产生振动和噪声。因此本文研究了齿轮啮合过程中啮合刚度的变化规律，分别建立理想齿轮传动模型和轴系与齿轮联合传动模型，得到啮合周期内齿轮啮合刚度的变化曲线。结果表明:轴系的加入降低齿轮传动系统的啮合刚度;随负载增加，齿轮啮合刚度小幅增加;负载对带轴齿轮啮合刚度的影响要小于对理想齿轮啮合刚度的影响。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 齿轮强度计算研究现状

1．2．2 齿轮传动特性分析现状

1．3 本文的主要研究内容

2 齿轮接触理论及其有限元方法

2．1 赫兹弹性接触理论及齿轮接触应力计算

2．2 求解接触问题的有限元算法

2．3 齿轮接触问题有限元分析流程

2．4 本章小结

3 齿轮动态啮合有限元分析

3．1 ANSYS求解动力学问题的相关要点

3．1．1 建立合理的有限元模型

3．1．2 施加合理的边界条件

3．1．3 接触对的定义和参数设置

3．2 标准齿轮的参数化建模

3．3 有限元网格模型的建立

3．3．1 单元类型的选取

3．3．2 接触算法选择

3．3．3 网格划分、接触对定义及边界条件的添加

3．3．4 网格独立性验证

3．4 动态接触计算结果及分析

3．4．1 齿轮啮合过程中接触应力分析

3．4．2 齿面接触应力分布分析

3．5 本章小结

4 齿轮动态啮合性能的研究

4．1 轴长对于齿轮动态啮合性能的影响

4．2 主动轮转速对于齿轮动态啮合性能的影响

4．3 负载对于齿轮动态啮合性能的影响

4．4 本章小结

5 齿轮啮合刚度分析

5．1 啮合刚度有限元计算方法

5．2 轴变形对于齿轮啮合刚度的影响

5．2．1 理想齿轮啮合刚度变化情况

5．2．2 带轴齿轮模型啮合刚度变化情况

5．2．3 轴变形对于齿轮啮合刚度的影响分析

5．3 负载对于齿轮啮合刚度的影响

5．3．1 双齿啮合时负载对啮合刚度变化的影响

5．3．2 单齿啮合时负载对啮合刚度变化的影响

5．4 本章小结

6 结论及展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献