一种渐开线圆柱斜齿轮机构参数化分析方法

摘要

本发明公开了一种渐开线圆柱斜齿轮机构参数化分析方法，涉及齿轮传动设计分析技术领域，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、提取参数：综合分析影响渐开线圆柱斜齿轮机构工作的各项参数，进行整合分类，按类别提取齿轮几何参数、材料特性参数、载荷特性和有限元模型参数，并将上述参数按照表格形式进行编制；步骤二、在UG软件中建立参数化的齿轮三维模型：步骤三、在ANSYS软件中进行前处理；步骤四、在ANSYS软件中进行求解计算：进入求解模块，指定分析类型为静力学分析，设置总求解时间为1，求解步为100，求解器为PCG，求解完成后退出求解模块；步骤五、分析计算结果，判断是否需要修改参数后进行新的分析计算。

说明书

技术领域

本发明涉及齿轮传动设计分析技术领域，特别是涉及一种渐开线圆柱斜齿轮机构参 数化分析方法。

背景技术

渐开线圆柱斜齿轮传动是机械传动中最为常见的形式之一，可以传递两平行轴间的 运动和动力，具有啮合性好、传动平稳、重合度大和传递扭矩大等优点。渐开线圆柱斜 齿轮设计的主要内容之一为力学强度校核计算，传统的校核计算仅能宏观掌握齿轮的安 全系数，难以把握轮齿应力分布特点和变化规律，并且校核工作量极大，经常重复性的 工作，费时费力，对人力成本造成极大的浪费。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种渐开线圆柱斜齿轮机构参数化分析方法；该 方法具有效率高、可靠性好的特点。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种渐开线圆柱斜齿轮机构参数化分析方法，首先综合分析提取影响齿轮工作的各 项基本参数，分别在UG软件和ANSYS软件中定义与齿轮各项基本参数相对应的参数表达 式，并在UG中建立参数化的齿轮三维模型；接着将UG中建立的齿轮三维模型导入ANSYS 软件中进行前处理和求解计算，并输出应力应变等相关的计算结果；分析计算结果是否 满足设计要求，如果满足设计要求则本次设计完成，如果不满足设计要求，可以修改齿 轮基本参数值重新进行建模分析计算，直到满足设计要求为止，具体包括如下步骤：

步骤一、提取参数：综合分析影响渐开线圆柱斜齿轮机构工作的各项参数，进行整 合分类，按类别提取齿轮几何参数、材料特性参数、载荷特性参数和有限元模型参数， 并将上述参数按照表格形式进行编制；

步骤二、在UG软件中建立参数化的齿轮三维模型：

在UG软件中创建参数表达式，该参数表达式与步骤1中提取的参数一一对应，运用 GC工具箱在创建齿轮选项中指定齿轮类型、模数、齿数、齿宽、变位系数和压力角等几 何参数，完成主动轮和从动轮的创建；在齿轮啮合选项中指定主动轮和从动轮完成齿轮 的装配；分别在主动轮和从动轮上加入孔和键槽特征，完成渐开线圆柱斜齿轮三维模型 的建立；

步骤三、在ANSYS软件中进行前处理：

在ANSYS中运用APDL语言编写参数化程序，完成三维模型的导入、指定单元类型、材 料属性、划分网格、施加载荷、设定位移约束和设置接触前处理任务，具体步骤如下：

1)将步骤二中建立好的三维模型导入到ANSYS软件中；

2)选择单元类型为20节点的六面体单元Solid186，分别为主动轮和从动轮指定相应 的杨氏模量、泊松比和密度，将单元大小设置为1，采用扫略形式将模型划分为六面体网 格模型；

3)在主动轮中心孔圆心处创建11号局部柱坐标系，选择属于主动轮中心孔面上的所 有节点，将选中的节点坐标系修改为11号局部柱坐标系，同时给选中的所有的节点指定 FY向的固定力，完成主动轮转矩的施加；

4)在从动轮中心孔圆心处创建12号局部柱坐标系，选择属于从动轮中心孔面上的所 有节点，将选中的节点坐标系修改为12号局部柱坐标系，同时约束所选节点X、Y和Z三个 移动，完成从动轮位置约束的施加；

5)指定摩擦系数、接触间隙和法向接触刚度，选择主动轮上参与啮合的表面作为接 触面，从动轮上参与啮合的表面作为目标面，目标单元为TARGE170，接触单元为CONTA174, 完成接触设置，前处理完成；

步骤四、在ANSYS软件中进行求解计算：

进入求解模块，指定分析类型为静力学分析，设置总求解时间为1，求解步为100， 求解器为PCG，求解完成后退出求解模块；

步骤五、分析计算结果，判断是否需要修改参数后进行新的分析计算：

求解结束后进入后处理模块，查看应力、应变和变形计算结果，判断斜齿轮机构是 否满足设计要求，若果满足设计要求，则设计完成；如果不满足设计要求，可修改齿轮 基本参数值进行重新设计分析，直到满足设计要求为止。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明与现有技术相比，改进了渐开线圆柱斜齿轮机构分析方法，比起传统的分析 方法大大缩短了设计时间，减少了设计费用。应用UG与ANSYS软件联合分析计算，编制 参数化的分析程序，可以简单地修改其中的参数，达到反复分析各种尺寸、不同载荷大 小的多种摆线轮设计方案力学性能，并能准确的把握轮齿应力分布情况和变化规律，在 保证计算精度的同时，极大地减轻了设计人员的工作量，提高分析效率，减少分析成本。

附图说明：

图1为本发明优选实施例的流程图；

图2为本发明优选实施例中斜齿轮机构三维模型图

图3为本发明优选实施例中斜齿轮机构有限元模型图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图 详细说明如下：

请参阅图1至图3、一种渐开线圆柱斜齿轮机构参数化分析方法，本发明所应用的三 维软件为UGnx10.0，有限元分析软件为ANSYS15.0，详细步骤如下：

1、提取基本参数：综合分析影响渐开线圆柱斜齿轮机构工作的各项参数，进行整合 分类，按类别提取斜齿轮几何参数、材料特性参数、载荷特性参数和有限元模型参数， 编制如下表格1-5。

表1主动齿轮几何参数

表2从动针齿几何参数

表3齿轮机构材料特性参数

表4载荷特性参数

表5有限元模型参数

2、在UG软件中建立参数化的渐开线斜齿轮机构三维模型：

运用UG软件中的GC工具箱，进入柱齿轮建模模块，在齿轮操作方式中选择创建齿轮 选项，指定齿形为斜齿轮，啮合形式为外啮合齿轮，加工方式为滚齿，同时指定模数、 齿数、齿宽和压力角等基本几何参数，分别创建两个不同旋向的齿轮；重新进入柱齿轮 建模模块，在齿轮操作方式中选择齿轮啮合选项，指定小齿轮为主动轮，大齿轮为从动 轮，完成齿轮装配；分别在两个齿轮上打通孔，完成渐开线斜齿轮三维模型的建立，如 图2所示。

3、在ANSYS软件中进行前处理：

1)将步骤2中建立好的三维模型导入到ANSYS软件中；

2)选择单元类型为20节点的六面体单元Solid186，分别为主动轮和从动轮指定相应 的杨氏模量、泊松比和密度等材料属性，将单元大小设置为1，采用扫略形式将模型划分 为六面体网格模型；

3)在主动轮中心孔圆心处创建11号局部柱坐标系，选择属于主动轮中心孔面上的所 有节点，将选中的节点坐标系修改为11号局部柱坐标系，同时给选中的所有的节点指定 FY向的固定力，完成主动轮转矩的施加；

4)在从动轮中心孔圆心处创建12号局部柱坐标系，选择属于从动轮中心孔面上的所 有节点，将选中的节点坐标系修改为12号局部柱坐标系，同时约束所选节点X、Y和Z三个 移动，完成从动轮位置约束的施加；

5)指定摩擦系数、接触间隙和法向接触刚度，选择主动轮上参与啮合的表面作为接 触面，从动轮上参与啮合的表面作为目标面，目标单元为TARGE170，接触单元为CONTA174, 完成接触设置，有限元模型如图3所示。

4、在ANSYS软件中进行求解计算：

进入求解模块，指定分析类型为静力学分析，设置总求解时间为1，求解步为100， 求解器为PCG，求解完成后退出求解模块。

5、分析计算结果，判断是否需要修改参数后进行新的分析计算：

求解结束后进入后处理模块，查看应力、应变和变形等多种计算结果，判断斜齿轮 机构是否满足设计要求，若果满足设计要求，则设计完成；如果不满足设计要求，可修 改齿轮基本参数值进行重新设计分析，直到满足设计要求为止。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不 能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等， 均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。