直齿圆柱齿轮齿根裂纹扩展仿真及齿轮时变啮合刚度分析

摘要

首先利用ANSYS有限元软件建立了含齿根初始裂纹的齿轮二维有限元模型,计算了齿根裂纹前缘应力强度因子。其次基于线弹性断裂力学理论及最大周向正应力理论,计算了裂纹失稳后的扩展角。再次利用ANSYS软件对初始裂纹进行扩展分析,逐步模拟了裂纹的扩展趋势,得到了齿根裂纹的扩展路径。结果表明,对于厚轮缘实心式直齿圆柱齿轮而言,齿根初始裂纹以较小的扩展角度从轮齿的一侧齿根逐步向轮齿的另一侧齿根连续平滑地扩展。最后根据齿根裂纹的扩展路径,利用势能法求解了齿轮时变啮合刚度,分析了不同裂纹程度对于齿轮时变啮合刚度的影响。齿根裂纹会引起时变啮合刚度的局部减小,并且随着裂纹尺寸的逐步增大,啮合刚度的局部减小现象会愈加明显。该文为含有齿根裂纹故障的圆柱齿轮传动系统的动力学建模、故障机理分析及疲劳寿命分析奠定了理论基础。