基于ANSYS的齿轮接触有限元分析开题报告

全文总字数：2888字

1. 研究目的与意义

过去几十年甚至上百年重工业发展迅猛，其发展对于机械的依赖程度非常之高，而齿轮作为机械传动中不可缺少的一部分，其制造水平对于机械行业有着举足轻重的作用和影响。如今，现代齿轮的生产已经转向高速、重载、安全可靠、高疲劳寿命等方向，这对齿轮的性能有了更高要求。为了达到这些要求，除了提高齿轮的加工精度，改善齿轮的材料以及工作环境，还必须提高齿轮的承载能力。齿轮的接触疲劳强度是评价齿轮承载能力^[1]的一项指标，如果齿面接触疲劳强度不够，齿面将发生点蚀、剥落、塑性变形^[2]等损伤，因此，必须计算出齿轮的接触疲劳强度，从而避免齿面接触应力超过许用值。采用传统方法对齿轮性能进行研究，不仅在准确性、可靠性、安全性等方面有所欠缺，而且会增加研究成本和时间。而ANSYS^[3]作为一款大型通用的有限元分析软件，操作简单，易于掌握，已经成为最实用的仿真软件之一，广泛应用于航天、汽车、能源、土木、机械、电力等各个领域。利用有限元法可以对齿轮传动进行应力应变分析，进行必要的仿真测试。我们知道齿轮一旦啮合不正确就可影响齿轮的接触疲劳强度，因此，本课题基于有限元法，在一对啮合齿轮发生轴平行度误差以及中心距误差等装配误差时，从齿轮副静态接触分析以及齿轮副动态接触分析两个方面，对齿面接触应力值大小进行分析和研究，最终给出合理的平行度误差以及中心距误差范围。本课题的研究成果对于实际的齿轮安装和装配等实际问题具有重要的参考价值。

2. 国内外研究现状分析

齿轮传动中齿面接触强度不足是导致齿轮失效的主要原因之一，针对于齿面接触疲劳强度，国内外学者从不同角度对齿面接触应力值的大小进行了诸多研究。

1881年，赫兹（hertz）提出的两无限长圆柱体最大接触应力表达式，为后来齿轮接触强度计算提供了很大帮助。目前，常用的用于齿面接触疲劳强度的公式主要有：iso公式、agma公式。近年来的研究成果表明两种公式的计算值均偏大，尤其是iso公式更为明显，这主要是由于iso标准比agma标准考虑的影响因素更为全面。由此可见，利用传统的方法来计算齿轮接触强度，并不能够精确地计算出齿轮接触应力的大小。

近年来，也有多名学者从不同角度对齿面接触应力值的大小发表了相应的学术论文和期刊，乔福瑞^[4]在《基于ansys轮接触应力与啮合刚度研究》中指出，形误差改变了齿轮接触应力的分布规律，改变了齿轮齿面形状，从而改变齿轮的接触应力、破坏齿轮啮合状态和齿间载荷分布规律。周海燕^[5]在《斜齿轮动力学接触分析及齿向优化研究》中指出，扭矩一定时，随着转速升高，斜齿轮接触应力增大。鲁永建^[6]在《航空发动机高速齿轮接触有限元分析》中指出，轮在转动过程中，在轮齿进入啮合和退出啮合时产生啮合冲击，啮合冲击对系统的影响随着转速的提高而增大，而且啮入冲击比啮出冲击对系统的影响更大。庞晓琛^[7]在《基于ansys的齿轮接触问题研究》中指出，接触问题的数值模型中，界面约束方法、摩擦模型、接触刚度、初始接触条件都是影响计算结果重要因素。同时还指出，由于齿轮啮合部位不同，其接触应力也会发生变化，最大接触应力发生在单齿接触时，位置在节圆附近，在多齿接触时其最大接触应力会小得多。屈文涛、沈允文、徐建宁^[8]在《基于ansys的双圆弧齿轮接触应力有限元分析》中指出，通过轮齿动态接触计算和分析，可以观察齿轮运转时的真实啮合情况，检查齿轮传动存在的冲击、碰撞情况。周秦源、 孔远翔、米建龙等^[9]在《基于pro/e和ansys的齿轮接触应力的有限元分析》中指出，采用ansys软件进行有限元分析，可以方便、快捷地对三维接触有限元齿轮轮齿啮合过程进行应力分析，得到轮齿对的接触应力，是精确进行齿轮强度分析的有效方法。袁勇超^[10]在《zy-1型硬齿面双圆弧齿轮接触应力的研究及有限元分析》中指出，在相同材质、相同参数、相同载荷的条件下，zy-1型双圆弧齿轮的最大接触应力比标准型的大约要大12%左右，比渐开线小10%左右。从接触承载能力比较来看，zy-1型双圆弧齿轮的承载能力介于标准型双圆弧齿轮和渐开线齿轮之间。chen, yi-cheng，tsay and chung-biau^[11]在有限元分析软件abqus中，准确建立了一对啮合的斜齿轮有限元模型，对齿轮的齿面接触应力、综合应力及齿根弯曲应力进行了相应的计算，其结果与赫兹公式的结果较为近似。j wang and ian howard^[12]在workbench有限元分析软件中，建立了一对啮合齿轮模型，采用自适应网格划分方法，对啮合周期内接触应力的变化情况进行了分析。taburdagitan等人^[13]于2006年利用有限元方法，很好地提高了参数化建模的水平，相比较于这之前的研究，网格质量与有效性都得到了明显的改善，在其研究方向上对于圆柱齿轮也进行了接触时温度变化的问题，在重要理论上有较为突出的认识。filiz和eyercioglu^[14]采用有限元法，对在集中、分布和模拟接触三种载荷形式下的三个轮齿模型进行了应力分析。

3. 研究的基本内容与计划

一、 主要研究方法及内容

本文基于ansys有限元分析方法，在一对啮合的齿轮发生轴平行度误差以及中心距误差时，对齿面接触应力值大小进行计算和分析，得出最优的误差范围，具体研究内容如下：

1. 建立直齿圆柱齿轮的模型

4. 研究创新点

本课题针对啮合齿轮的轴平行度误差以及中心距误差等装配误差，使用有限元法，着重从齿轮副静态接触分析以及齿轮副动态接触分析两个方面，对齿面接触应力分布进行分析和研究，最终给出合理的平行度误差以及中心距误差范围。