变速器斜齿圆柱齿轮弯曲强度有限元分析

基于UG NX和ANSYS的减速箱渐开线圆柱齿轮有限元分析摘要:通过三维机械设计软件UG NX构建直齿圆柱齿轮几何实体模型,运用有限元分析软件ANSYS对齿根进行应力分析计算,计算出齿轮的最大应力和最大应变。

通过与理论分析结果的比较,说明ANSYS在齿轮计算中的有效性。

有限元分析有利于对齿轮传动过程中力学特性进行深入研究,为齿轮传动的优化设计提供了基础理论。

关键词:直齿圆柱齿轮应力分析ANSYS UG 失效齿根弯曲疲劳折断是齿轮主要失效形式之一,因为在载荷的多次重复作用下,齿根处产生的弯曲应力最大,且齿根过渡部分的截面突变及加工刀痕等引起的应力集中作用,当齿根处的交变应力超过材料的疲劳极限时,最终会造成轮齿的弯曲疲劳折断,因此,需进行齿根弯曲强度计算。

本文利用三维设计软件UG NX4.0对齿轮进行实体建模,通过软件数据接口实现数据传递,从而把所建立的实体模型导入有限元分析软件ANSYS11.0中,然后通过ANSYS对齿轮进行网格划分,加载求解,进行应力场分析,计算出轮齿传动过程中所受的最大应力、应变等,得到了齿根处最大弯曲应力,进行了齿根弯曲强度校核。

1 直齿圆柱齿轮几何实体模型的建立由于ANSYS有限元分析软件几何建模功能的限制,采用UGNX6.0建立直齿渐开线圆柱齿轮实体模型。

鉴于渐开线轮齿的复杂性,本文采用了UG NX6.0的齿轮插件来绘制齿轮。

输入想要绘制的齿轮参数(模数、齿数、压力角、齿顶高系数、顶系系数、齿轮厚度、齿轮孔直径),如图1所示,就可生成齿轮几何模型,完成建模,为了便于分析,提高运算效率,通过实体修剪,取三齿几何模型进行分析,将其保存为.prt文件格式。

本文所要分析的齿轮参数如下:齿轮转速n=1460r/min,传动功率P=50kW,模数m=4,齿轮齿数z=19,压力角α=20°,齿轮厚度34mm。

2 数据传递在UG 6.0中创建的保存为.prt文件格式的几何模型,ANSYS软件可以自动识别和导入.prt三维实体数据格式,从而实现UG和ANSYS 的数据传递,齿轮几何模型以体形式导入到ANSYS中。

齿轮强度校核的新方法(图文)论文导读：使用有限元分析软件ANSYS对齿轮进行强度分析，可对齿轮的强度设计提供可靠的根据，实现变速器齿轮的计算机辅助设计，能够加快设计进程、缩短研制周期、提高设计质量。

本文应用了APDL，即ANSYS参数化设计语言（ANSYSParametricDesignLanguage），设计直齿圆柱齿轮模块与应用ANSYS有限元软件进行有限元分析方面，做一些初步的探索。

关键词：ANSYS，直齿圆柱齿轮，接触应力，齿根弯曲应力0引言齿轮作为在机械结构中经常用到的重要的传动零件，其强度直接影响到整个机械结构的工作性能与寿命，然而在传统齿轮设计中，齿轮的强度校核过程与设计过程要紧是通过人工设计完成，计算繁琐，设计周期长且难以实现优化设计。

本文使用有限元分析法对渐开线标准圆柱直齿轮进行接触应力与齿根弯曲应力进行分析计算。

同时在有限元分析中,对AYSYS[1]软件进行二次开发，即应用了APDL[2]语言，自动实现了齿轮的参数精确建模，自习惯网格划分与有限元强度分析。

最后与传统经典方法进行了对比分析,证明了本方法的准确性。

具有实际操作性与推广价值。

论文发表。

1.齿轮强度分析的基本要求在机械专业中，减速机是要紧的重要的传动机构，而齿轮传动是其中最常见的实现方式。

论文发表。

因此齿轮零件的设计就显得尤为重要。

其中齿轮应力强度校核是齿轮结构设计的前提，只有相互啮合的齿轮通过了接触与弯曲强度校核计算，才能进行齿轮结构设计。

当然相互啮合的齿轮种类十分繁杂。

这里我们为方便起见，只考虑渐开线标准圆柱直齿轮的问题。

传统的应力强度校核计算十分烦琐，需要查阅机械设计手册中大量的数据（包含图形与图表）。

而传动机构中往往是多对齿轮啮合，其中有一对不符合要求，整个计算就得重来，耗费了设计者大量的精力。

因此借助计算机及相应软件完成对齿轮的优化设计十分必要。

使用有限元分析软件ANSYS对齿轮进行强度分析，可对齿轮的强度设计提供可靠的根据，实现变速器齿轮的计算机辅助设计，能够加快设计进程、缩短研制周期、提高设计质量。

汽车变速器齿轮的强度分析摘要：随着汽车技术的不断提高，对变速器结构强度的要求越来越高，作为变速器关键部件的齿轮，工作环境恶劣，易损坏。

齿轮的质量关系着变速器能否平稳高效运转。

齿轮强度分析，是齿轮承载能力、振动、噪声、齿形优化等研究的基础。

变速器齿轮常见损坏形式有接触疲劳引起的齿面点蚀和弯曲疲劳引起的轮齿折断。

为判断是否发生损坏，需进行齿轮接触强度和弯曲强度分析。

运用经典方法分析齿轮强度，需要计算的系数很多，计算过程繁琐。

因此，有必要对其分析过程进行规范化总结归纳，并开发出带有专业特点的齿轮强度分析模块，使用户只需输入一些参数，按照一定的流程操作，即可完成齿轮强度分析。

变速器齿轮接触和弯曲问题的有限元分析，是齿轮结构设计与优化的有效手段。

建立有效的有限元分析模型，准确求解齿轮的应力与变形有重要意义。

运用有限元法进行齿轮接触和弯曲问题仿真，在接触刚度、网格划分方法、网格疏密控制、载荷作用位置等方面还存在一些问题，有必要对其进行深入研究。

目前，有限元软件中尚没有专门的齿轮应力建模与仿真模块，实现齿轮应力有限元分析模块的二次开发，可以提高工作效率，缩短设计周期。

关键词：变速器齿轮，接触强度，弯曲强度Auto ransmission gear strength analysisAbstract：With the continuous improvement of automotive technology,the demand of the transmission structural strength has become more and more increasingly.As a key component of the transmission,the working conditions of gears are poor and the gears are easy to damage.The quality of gears decides whether the transmission can operate smoothly and efficiently or not.The analysis of gear strength is the basis for the research of the gears carrying capacity,vibration,noise,profile optimization.The common forms of damage are tooth surface pitting caused by contact and tooth broken caused by bending fatigue.As to determine whether the damage occurred,the gear contact and bending strength need to ing classical method to calculate gear strength, many factors need to calculate,the process is very trouble.It is necessary to normalize and summarize the analysis process,and to develop the gear strength analysis professional module.The complete gear strength can be finished the certain input parameters are only provided.The finite element analysis of transmission gear contact and bending is an effective means of gear structural design and optimization.To establish the efficient and precise analysis of the gear contact and bending stress,there are some problems in the contact rigidity,mesh method,mesh density control,load lines.It is necessary to conduct in-depth study.There are so many gear pairs in transmission that it is difficult to analyze and calculate.At present, there is no application software having special module for gear stress simulation analysis.To develop professional modules of parametric modeling and simulation for gear stress analysis can greatly improve efficiency and shorten the design cycle.目录1绪论------------------------------------------------------------------ 1 1.1变速器齿轮强度分析的研究背景---------------------------------------- 1 1.1.1变速器齿轮失效形式------------------------------------------------ 1 1.1.2变速器齿轮强度分析方法-------------------------------------------- 1 1.2变速器齿轮强度分析与评价的研究现状---------------------------------- 2 1.2.1变速器齿轮强度分析的经典方法-------------------------------------- 2 1.2.2变速器齿轮强度分析的有限元法-------------------------------------- 3 1.2.3变速器齿轮强度评价方法-------------------------------------------- 4 1.3有限元软件ANSYS概述------------------------------------------------ 5 1.3.1 ANSYS简介-------------------------------------------------------- 5 1.3.2 ANSYS内部语言简介------------------------------------------------ 5 1.3.3 ANSYS二次开发功能------------------------------------------------ 5 1.4本文主要研究工作---------------------------------------------------- 6 2齿轮强度经典分析方法-------------------------------------------------- 7 2.1齿轮接触应力和齿根应力分析的经典方法-------------------------------- 7 2.1.1齿轮接触应力分析经典方法------------------------------------------ 7 2.1.2齿根应力分析经典方法---------------------------------------------- 7 2.2齿轮许用接触应力分析经典方法---------------------------------------- 8 2.2.1齿轮许用接触应力-------------------------------------------------- 8 2. 2. 2接触寿命系数---------------------------------------------------- 9 2.2.3润滑剂系数------------------------------------------------------- 10 2.2.4速度系数--------------------------------------------------------- 10 2.2.5粗糙度系数------------------------------------------------------- 11 2.2.6工作硬化系数----------------------------------------------------- 11 2.2.7接触尺寸系数----------------------------------------------------- 12 2.3齿轮许用齿根应力分析经典方法--------------------------------------- 12 2.3.1齿轮许用齿根应力------------------------------------------------- 122.3.2弯曲寿命系数----------------------------------------------------- 12 2.3.3相对齿根圆角敏感系数--------------------------------------------- 14 2.3.4相对齿根表面状况系数--------------------------------------------- 15 2.3.5弯曲尺寸系数----------------------------------------------------- 16 2.4本章小结----------------------------------------------------------- 16 3齿轮应力分析有限元法------------------------------------------------- 16 3.1面-面接触有限元分析关键问题---------------------------------------- 17 3.1.1接触面和目标面确定----------------------------------------------- 17 3.1.2单元类型选择----------------------------------------------------- 17 3.1.3接触协调条件----------------------------------------------------- 19 3.2斜齿轮接触应力分析有限元法----------------------------------------- 20 3.2.1单元属性定义----------------------------------------------------- 20 3.2.2网格划分方法研究与应用------------------------------------------- 21 3.2.3接触单元和目标单元生成------------------------------------------- 25 3.2.4接触应力求解与结果分析------------------------------------------- 26 3.2.5接触应力仿真影响因素分析----------------------------------------- 27 3.3斜齿轮弯曲应力分析有限元法----------------------------------------- 30 3.3.2整体单元尺寸对仿真影响分析--------------------------------------- 32 3.3.3线网格细化对仿真影响分析----------------------------------------- 34 3.3.4面网格细化对仿真影响分析----------------------------------------- 37 3.3.5网格划分控制确定------------------------------------------------- 42 3.3.6不同载荷作用位置对仿真影响分析----------------------------------- 43 3.4本章小结-------------------------------------------- 错误!未定义书签。

弯曲强度和弯曲模量和弹性模量的有限元分析弯曲强度和弯曲模量和弹性模量的有限元分析，是指研究板件在外力作用下的变形情况。

由于这种变形对结构所承受的载荷和产生的应力影响很大，因此，材料和结构必须具备足够高的强度和抗裂性能才行。

为了提高结构的耐久性、可靠性和安全性，需要考虑塑性极限、弹性变形以及强化措施等。

理论依据，一般把外加荷载看成是在作用下固体发生平面应变或体积改变的函数，并引入相应的物理量表示这种关系。

同样地，将内部介质或组合体在内压作用下所发生的应变也称为应力或应变。

设计者应该根据不同的计算要求来确定。

弯曲强度就是板件在弯曲载荷作用下抵抗变形的能力。

弯曲模量则是外力使板件产生弯曲变形的难易程度。

两者之间既有区别又有联系：弯曲强度取决于板件本身的厚度；而弯曲模量与变形能力成正比。

当外力达到某一值后，虽然还可继续增大，但是这时再进行增大却十分困难。

例如金属丝拉伸过程中会逐渐出现不均匀性，最终会断裂，就说明弯曲模量越小越好。

反之，弯曲强度则与板件的本身厚度无关。

这一点对工程上尤其重要。

通常在给定的范围内选择板件的刚度，即板件能经受多大载荷的问题。

其中，弯曲模量可视为板件屈服前的长度或直径；弯曲强度则为屈服后的长度或直径。

弯曲模量又称泊松比，它与材料性质有关。

因此，材料的实际屈服点是从开始弯曲到达到完全破坏（极限弯曲）时，应力随应变的关系曲线，所以弯曲模量往往偏低。

材料的泊松比是试验得到的。

它是衡量材料可能承受最大荷载的尺寸。

我们希望钢材泊松比尽可能大些，铝、铜泊松比尽可能小些。

当板件的厚度较大时，按上述公式计算得到的弯曲强度和弯曲模量就远远超过实际所能接受的允许值。

另一方面，若板件厚度太薄，在外力作用下便容易失稳，甚至出现脆性破坏。

因此，对于那些薄壁杆件，除强度和刚度要求外，更主要的还要控制其厚度。

所以对这类零件，一般采用冷拔、冷轧和挤压等热加工方法制造。

用试验方法测定单个板件和总体的弯曲强度和刚度，目前仍处于摸索阶段。

《有限元分析及应用》大作业——齿根弯曲应力计算报告班级：无可奉告姓名：无可奉告学号：无可奉告指导老师：无可奉告目录目录 (2)1.概述 (3)1.1工程问题描述 (3)1.2问题分析 (3)2.建模过程 (4)2.1几何建模 (4)2.2CAE网格划分与计算 (5)2.3后处理 (8)3.多方案比较与结果分析 (9)3.1多方案比较 (9)3.2结果分析 (11)1.概述1.1工程问题描述我在本次作业中的选题为齿根弯曲应力的计算与校核。

通过对机械设计的学习，我们可以知道，齿轮的失效形式主要是齿面接触疲劳和齿根弯曲断裂，而闭式传动硬齿面齿轮的失效形式以齿根弯曲断裂，这个时候进行齿根弯曲应力的校核才比较有意义，在设计问题的时候应当选取这种类型的算例。

设计计算的另一个主要思路是将有限元计算的结果与传统机械设计的结算结果进行对比，以从多方面验证计算结果的准确性。

综上，我们最终选取了《机械原理》（第三版）P50例3-1中的问题进行校核计算。

已知起重机械用的一对闭式直齿圆柱齿轮，传动，输入转速n1=730r/min,输入功率P1=35kW，每天工作16小时，使用寿命5年，齿轮为非对称布置，轴的刚性较大，原动机为电动机，工作机载荷为中等冲击。

z1=29，z2=129，m=2.5mm，b1=48mm，b2=42mm，大、小齿轮均为20CrMnTi，渗碳淬火，齿面硬度为58~62HRC，齿轮精度为7级，试验算齿轮强度。

齿面为硬齿面，传动方式为闭式传动。

根据设计手册查出的许用接触应力为1363.6Mpa，计算结果为1260Mpa，强度合格。

根据设计手册查出的许用弯曲应力为613.3MPa，计算结果为619Mpa，强度略显不够。

1.2问题分析大小齿轮啮合，小齿轮受载荷情况较为严峻，故分析对象应当为小齿轮。

可以看出，由于齿轮单侧受载荷，传动过程中每个齿上载荷的变化过程是相同的，故问题可被简化为反对称问题，仅需研究单个齿。

齿轮强度校核的新方法齿轮是机械传动中常用的零件，其强度校核关系到传动的安全可靠性。

传统的齿轮强度校核方法包括按照ISO、AGMA等标准计算齿面弯曲应力和齿面接触疲劳强度，并结合材料强度等因素评估齿轮的可靠性。

然而，传统方法存在一些缺陷，如对于非标准齿轮的强度校核方法不够完备，对于齿轮生命的评估基于经验公式容易出现误差等。

因此，近年来学者们在齿轮强度校核方法上进行了不少探索，提出了一些新的方法，下面介绍其中的一些代表性工作。

一、基于有限元方法的优化设计有限元法是近年来齿轮强度校核的一种新方法，通过构建齿轮三维有限元模型，在有限元软件的支持下，对齿轮进行数值模拟，计算齿轮的应力、位移和应变等变量。

这种方法具有精度高、计算量大等优点，适用于非标准齿轮的设计和强度校核。

例如，杨岩等人提出一种基于有限元法的齿轮强度优化设计方法。

该方法在传统齿轮强度校核的基础上，考虑了齿轮拉伸应力和绕组应力的影响，利用有限元软件建立了齿轮三维模型，进行了应力分析和齿向刚度分析，分别优化了齿轮齿形和齿向刚度，从而提高了齿轮的强度和可靠性。

二、基于机器学习的预测模型机器学习作为新兴的数据挖掘技术，目前在齿轮强度校核领域也得到了应用。

机器学习模型可以通过学习样本数据，建立起齿轮强度与各因素之间的关系模型，从而预测齿轮的强度和寿命等参数。

比如，赵少军等人提出了一种基于深度学习的齿轮寿命预测方法。

该方法采用了卷积神经网络(CNN)作为预测模型，在大量实验数据的支持下，通过训练CNN模型，学习了各因素之间的关联规律，成功地实现了齿轮寿命的预测。

这种方法具有自适应性强、精度高等优点。

三、基于反演方法的强度分析反演方法是一种基于逆问题和反演理论的分析方法，通过测量一些间接的或非直接的数据，推断原始问题的解。

在齿轮强度校核领域，反演方法可以通过测量齿轮的应力数据，反推得到齿轮的强度和材料性质等参数。

比如，王磊等人提出了一种基于反演方法的齿轮强度分析方法。

斜齿轮齿宽与疲劳强度赵云武汉科技大学机械学院，武汉（430081）E-mail：zy555797@摘要：通过对斜齿轮进行有限元分析，阐述了某高线厂斜齿轮产生裂纹的原因，并研究了斜齿轮螺旋角和齿数对有效齿宽的影响，说明了斜齿轮齿宽的作用及其对齿轮疲劳强度的影响。

关键词：斜齿轮，有限元，齿宽，疲劳强度1 斜齿轮齿根弯曲应力在齿宽方向上的分布斜齿圆柱齿轮传动具有结构紧凑、重合度大、啮合性能好等优点，在高速、大功率传动装置中获得了广泛的应用。

某高线厂1#轧机减速箱采用4级齿轮传动，高速级渐开线圆柱斜齿轮（Z1—Z2）的相关参数如下：传动比i=3.04；法面模数m n=6mm；螺旋角β=14°；齿顶高系数c=0.45；齿宽b=100mm；小齿轮齿数Z1=28；大齿轮变位系数X2=-0.046; 齿轮材料均为17CrNiMo6；硬度：齿面硬度为58~62HRC，芯部硬度为30~42HRC；电机额定功率P=740kw；实测轧机工作峰值力矩T=5.53kN.m。

在实际使用中，高速级齿轮首先进入啮合的一端出现了疲劳裂纹。

应用传统的齿轮强度校核理论对该齿轮副作强度校核发现其接触强度和弯曲强度均满足要求。

为了得到更准确的齿根弯曲应力及其分布状态，本文对齿轮进行了静态的有限元分析[1]。

考虑到斜齿轮传动的接触带是沿轴向移动的，可以取斜齿轮啮合点位于其轴线的不同位置的有限元计算结果进行统计分析。

图1.1~图1.5分别是啮合点位于齿宽b=0(齿轮首先进入啮合的一端) 、b=25、b=50、b=75、b=100处小齿轮齿根弯曲应力云图。

图1.1 啮合点位于b=0处弯曲应力云图图1.2 啮合点位于b=25处弯曲应力云图图1.3 啮合点位于b=50处弯曲应力云图 图1.4 啮合点位于b=75处弯曲应力云图图1.5 啮合点位于b=100处弯曲应力云图统计结果表明：随着啮合点沿着轴向移动，齿根弯曲应力最大值总是靠近齿轮首先进入啮合的一端（实际中疲劳裂纹也正是出现在这一端），其所在区域（图中红色所示）的长度L 也不超过50mm ；应力值大于50MPa 的齿轮宽度(后文中均用“有效齿宽b Y ”代替) b Y =85mm 。