基于ANSYS的少齿数齿轮模态分析与研究

研究基于ANSYS分析的齿轮设计发布时间：2023-02-01T01:04:06.877Z 来源：《科学与技术》2022年第16期8月作者：刘万俊[导读] 齿轮传动属于机械传动当中核心零件，被广泛应用至机械传动和机械领域当中。

齿轮设计，其主要是针对失效形式实施抗失效计算分析及校核处理。

刘万俊日本电产三协电子（东莞）有限公司广东东莞 523000[摘要]齿轮传动属于机械传动当中核心零件，被广泛应用至机械传动和机械领域当中。

齿轮设计，其主要是针对失效形式实施抗失效计算分析及校核处理。

以ANSYS分析作为辅助性设计手段，能够确保更为高效地完成齿轮设计相关工作。

故本文主要探讨以ANSYS分析为基础实施齿轮设计，仅供业内参考。

[关键词]齿轮设计；ANSYS；有限元；系统软件；前言：齿轮设计实践中，ANSYS分析属于现阶段所广泛应用的一种辅助性设计软件，可帮助设计者们高效完成齿轮设计任务。

因而，以ANSYS分析为基础下齿轮设计开展综合分析，有着一定的现实意义和价值。

1、简述ANSYSANSYS，它是美国的ANSYS公司所研制通用型大型有限元的分析软件，可以和计算机多数的辅助设计软件接口之间，实现数据共享及交换[1]。

2、以ANSYS分析为基础实施齿轮设计2.1工况为更好地以ANSYS分析为基础对齿轮设计开展实践分析，此次选定带式输送机的传动装置作为二级齿轮减速装置，并以高速级的齿轮设计作为研究对象，对以ANSYS分析为基础下齿轮设计进行详细分析。

输入功率为P＝10k W，所输入转速为n1＝960 r/min，高速级的齿数比为u＝3.2，呈斜齿圆柱形齿轮传动，精度为7级。

大齿轮为45钢材料，对其实施调质处理，整个齿面硬度为240 HBS；小齿轮为40Cr材料，对其实施调质处理，整个齿面硬度为280 HBS。

借助常规方法设定高速级的齿轮参数，即Z1及Z2分别是31mm、99mm；mn为2mm；中心距为134mm；齿宽B1及B2分别是70mm、65mm；螺旋β为14°02′5″。

基于ANSYS的少齿数齿轮模态分析与研究孙伏【摘要】Considering the advantages of gear with fewer teeth in practice and the characteristics of large displacement and top ,parametric modeling to z=8's involute gear with fewer teeth is carried out accurately through Pro/E software.Then modal analysis and extended model are done with the help of ANSYS finite element software to obtain 5 ranks intrinsic frequency, vibration models,stress and strain cloud chart.By studying the result,we find out the features of vibration models and variation rules of displacement,stress and strain.Thus,some proposal are suggested for dynamic design,which laid a theoretical foundation for rational design and vibration, noise decreasing of the involute gear with fewer teeth.%考虑到少齿数齿轮传动在实践中的诸多优点以及大变位和"削顶"的特点,通过Pro/E软件对z=8的渐开线少齿数齿轮进行精确地参数化建模,并借助ANSYS有限元软件对其进行了模态分析和扩展模态,得到了5阶固有频率、振型和应力、应变云图.通过研究分析结果,发现了5阶振型的特点,位移、应力和应变的变化规律,提出在动态设计时的几点建议,为渐开线少齿数齿轮传动的合理设计、减少振动和噪音等方面奠定了理论基础.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2011(000)005【总页数】3页(P119-121)【关键词】渐开线少齿数齿轮;大变位;精确建模;模态分析;动态设计【作者】孙伏【作者单位】陕西理工学院机械工程学院,汉中,723003【正文语种】中文【中图分类】TH16;TH32.413;N945.121 问题的提出齿轮传动广泛应用在机械传动中，在中小功率、传动比大、中小模数的齿轮传动中，小齿轮可考虑使用少齿数齿轮z1=（1～10），使其具有单级传动比大、结构紧凑、重量轻、便携等优点。

基于ANSYS的齿轮仿真分析齿轮是一种常见的机械传动元件，广泛应用于工业生产中的各种机械设备中。

齿轮的工作性能直接影响着整个传动系统的性能和可靠性。

为了确保齿轮的正常工作和延长使用寿命，需要对齿轮进行仿真分析。

本文将介绍基于ANSYS软件的齿轮仿真分析方法和流程。

首先，进行齿轮的几何建模。

使用ANSYS软件中的几何建模工具，根据实际齿轮的参数进行几何建模。

包括齿轮的齿数、模数、齿宽等参数。

建立三维模型后，对齿轮进行网格划分，生成有限元模型。

接下来，进行材料属性的定义。

根据实际齿轮的材料，定义材料属性。

包括弹性模量、泊松比、材料密度等参数。

这些参数将被用于后续的载荷和刚度分析。

然后，进行齿轮的载荷分析。

齿轮在工作过程中受到来自外界的载荷作用，主要包括径向力、切向力和轴向力等。

通过ANSYS中的载荷工具，对齿轮进行载荷加载。

可以根据实际工况设置载荷大小和方向。

进行齿轮的接触分析。

齿轮的接触是齿轮传动中的重要性能指标之一、通过ANSYS中的接触分析工具，可以计算齿轮接触面上的应力分布、接触区域和接触压力等参数。

这些参数对于齿轮的寿命和工作性能有重要影响。

进行齿轮的动力学分析。

齿轮在传动过程中会产生振动和噪声。

通过ANSYS中的动力学分析工具，可以计算齿轮的振动模态、固有频率和振动幅度等参数。

这些参数对于齿轮的运行平稳性和噪声控制有重要意义。

最后，进行疲劳分析。

齿轮在长时间使用过程中，容易出现疲劳破坏。

通过ANSYS中的疲劳分析工具，可以预测齿轮的寿命和疲劳破坏位置。

通过疲劳分析结果，可以调整齿轮的设计参数，提高其工作寿命。

综上所述，基于ANSYS的齿轮仿真分析包括几何建模、材料属性定义、载荷分析、接触分析、动力学分析和疲劳分析等步骤。

通过这些分析，可以评估齿轮的工作性能，指导齿轮的设计和改进。

同时，齿轮仿真分析可以帮助优化整个传动系统的工作性能和可靠性，提高机械设备的制造水平和整体效益。

基于ANSYS的齿轮静力学分析及模态分析齿轮是一种常用的机械传动装置，广泛应用于机械传动系统中。

在设计齿轮时，常常需要进行静力学分析和模态分析，以确保其性能和可靠性。

基于ANSYS软件的齿轮静力学分析和模态分析方法是一种常用的设计方法。

首先，进行齿轮静力学分析需要获取齿轮的几何参数和材料性质。

几何参数包括齿轮的齿数、模数、齿宽等，材料性质包括齿轮的材料弹性模量、泊松比等。

然后，使用ANSYS软件建立齿轮的三维有限元模型，并进行网格划分。

在建立完有限元模型之后，进行齿轮静力学分析。

首先要定义齿轮的边界条件和载荷情况。

边界条件包括固定约束和辅助约束，以模拟实际应用中的固定情况。

载荷情况包括齿轮的输入转矩和速度，以及传递给齿轮的负载。

然后，应用静力学方程，利用ANSYS软件进行静力学计算，得到齿轮的应力和变形分布情况。

通过齿轮静力学分析，可以评估齿轮的传动性能和承载能力。

根据分析结果，可以进行结构优化，以提高齿轮的性能和可靠性。

除了静力学分析，模态分析也是齿轮设计中的重要环节。

模态分析主要用于研究齿轮的固有振动特性。

通过模态分析可以确定齿轮的固有频率和振型，以及可能产生共振的模态。

在模态分析中，需要定义齿轮的材料性质和几何参数，建立三维有限元模型，并进行网格划分。

然后，通过ANSYS软件进行模态分析，得到齿轮的固有频率和振型。

通过模态分析，可以了解齿轮的振动特性和共振情况，以及可能导致振动问题的关键频率。

根据分析结果，可以采取措施来避免共振问题，提高齿轮的振动稳定性。

总的来说，基于ANSYS的齿轮静力学分析和模态分析方法可以帮助工程师了解齿轮的承载性能和振动特性，以指导齿轮的设计和优化。

这些分析结果对于提高齿轮的传动效率和可靠性非常重要。

因此，建议在齿轮设计过程中，尽量采用ANSYS软件进行静力学分析和模态分析，以确保设计的准确性和可靠性。

基于ANSYS的齿轮静力学分析及模态分析齿轮是常用的动力传动装置，广泛应用于机械设备中。

在设计齿轮传动系统时，静力学分析和模态分析是非常重要的步骤。

本文将重点介绍基于ANSYS软件进行齿轮静力学分析和模态分析的方法和步骤。

1.齿轮静力学分析齿轮静力学分析旨在分析齿轮传动系统在静态负载下的应力和变形情况。

以下是基于ANSYS进行齿轮静力学分析的步骤：步骤1：几何建模使用ANSYS中的几何建模工具创建齿轮的三维模型。

确保模型准确地包含所有齿轮的几何特征。

步骤2：材料定义使用ANSYS的材料库定义齿轮材料的力学性质，例如弹性模量、泊松比和密度等。

步骤3：加载条件定义定义加载条件，包括对齿轮的力或力矩、支撑条件等。

加载条件应符合实际使用情况。

步骤4：网格划分使用ANSYS的网格划分工具对齿轮模型进行网格划分。

确保网格划分足够细致以捕捉齿轮的几何特征。

步骤5：模型求解使用ANSYS中的有限元分析功能对齿轮模型进行求解，得到齿轮在加载条件下的应力和变形分布情况。

步骤6：结果分析分析模型求解结果，评估齿轮的强度和刚度。

如果发现应力或变形过大的区域，需要进行相应的结构优化。

2.齿轮模态分析齿轮模态分析用于确定齿轮传动系统的固有频率和模态形态。

以下是基于ANSYS进行齿轮模态分析的步骤：步骤1：几何建模同齿轮静力学分析中的步骤1步骤2：材料定义同齿轮静力学分析中的步骤2步骤3：加载条件定义齿轮模态分析中，加载条件通常为空载条件。

即不施加任何外力或力矩。

步骤4：网格划分同齿轮静力学分析中的步骤4步骤5：模型求解使用ANSYS中的模态分析功能对齿轮模型进行求解，得到其固有频率和模态形态。

步骤6：结果分析分析模型求解结果，确定齿轮传动系统的固有频率和模态形态。

根据结果可以评估齿轮传动系统的动力特性和工作稳定性。

综上所述，基于ANSYS进行齿轮静力学分析和模态分析可以有效地评估齿轮传动系统的强度、刚度和动力特性。

这些分析结果对于优化齿轮设计和确保齿轮传动系统的正常工作非常重要。

基于ANSYS 的齿轮模态分析齿轮传动是机械传动中最重要的传动部件，被广泛的应用在各个生产领域中，经常用在重要的场合；传动齿轮在工作过程中受到周期性载荷力的作用，有可能在标定转速发生强烈的共振，动应力急剧增加，致使齿轮过早出现扭转疲劳和弯曲疲劳。

静力学计算不能完全满足设计要求，因此有必要对齿轮进行模态分析，研究其振动特性，得到固有频率和主振型(自由振动特性)。

同时，模态分析也是其它动力学分析如谐响应分析、瞬态动力学分析和谱分析的基础。

本文运用UG 对齿轮建模并用有限元软件ANSYS 对齿轮进行模态分析，为齿轮动态设计提供了有效的方法。

1.模态分析简介由弹性力学有限元法，可得齿轮系统的运动微分方程为：[]{}[]{}[]{}{()}M X C X K X F t ++= （1）式中，[]M ，[]C ，[]K 分别为齿轮质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；分别为齿轮振动加速度向量、速度向量和位移向量，{}X 、{}X 、{}X 分别为齿轮振动加速度向量、速度向量和位移向量，12{}{,,,}T n X x x x =；{()}F t 为齿轮所受外界激振力向量，{}12{()},,T n F t f f f =。

若无外力作用，即{}{()}0F t =，则得到系统的自由振动方程。

在求齿轮自由振动的频率和振型即求齿轮的固有频率和固有振型时，阻尼对它们影响不大，因此，可以作为无阻尼自由振动问题来处理[2]。

无阻尼项自由振动的运动方程为：[]{}[]{}0M X K X += （2） 如果令 {}{}sin()X t φωφ=+则有 2{}{}sin()X t ωφωφ=+代入运动方程，可得 2([][]){}0i i K M ωφ-= （3） 式中i ω为第I 阶模态的固有频率，i φ为第I 阶振型，1,2,,i n =。

2.齿轮建模 在ANSYS 中直接建模有一定的难度，考虑到其与多数绘图软件具有良好的数据接口，可以方便的转化，而UG 软件以其参数化、全相关的特点在零件造型方面表现突出，可以通过参数控制模型尺寸的变化，因此本文采用通过UG 软件对齿轮进行参数化建模，保存为IGES 格式，然后将模型导入到ANSYS 软件中的方法。

基于ANSYS Workbench的齿轮齿条系统模态分析作者：马海龙来源：《中国科技纵横》2016年第18期【摘要】齿轮齿条传动模态分析研究的主要内容是确定齿轮齿条部件的振动特性（固有频率和主振型），它们是承受动载荷结构设计中的重要参数。

由于系统的固有特性表明了在哪些频率下结构会产生共振以及在各阶频率下结构的相对变形，因此对于改善结构动态特性具有重要意义。

由模态分析就可判断出齿轮的转速是否合理，这样可以确定齿轮与齿轮转速合理匹配，进而避开其固有频率。

【关键词】齿轮齿条模态分析 ANSYS Workbench 共振1引言模态分析是用来分析、确定系统振动特性的一种动力学分析技术。

振动特性包括固有频率、振型等。

在进行结构设计时可以利用模态分析避免共振，还可以为其他动力学分析模块提供求解控制参数，如时间步长等。

在准备进行其他动力学问题之前首先要进行模态分析，模态分析是最基础的内容。

2模态分析基本概念和理论模态的定义是结构在进行自由振动时所具有的振动特性。

结构本身的物理几何特性和材料属性决定着自身的模态，结构模态与外部是否添加载荷无关。

进行模态分析时可以有两种方法：（1）理论模态分析，它的基础是线性振动理论。

主要方法是利用有限元方法对所研究的结构进行离散，建立数学模型，求解系统特征值和特征向量，即求得系统的固有频率和固有振型。

（2）实验模态分析，又叫模态分析的实验过程。

首先，利用实验测得结构的激励和响应时间，运用数字处理技术求得频响应函数。

然后运用参数识别方法得到系统结构模态参数。

3齿轮齿条系统模态分析有限元建模3.1齿轮齿条有限元模型的建立及材料的定义利用UG软件建立三维模型以后，以x_t 格式导入到 ANSYS Workbench 12.0中，得到在ansys中的齿轮齿条装配模型。

在Geometry菜单中给齿轮齿条进行切片，为下面的局部网格划分打下基础。

对模型的材料进行定义，在Engineering Data菜单中添加新材料，齿轮齿条采用的材料选用40Cr，40Cr作为为中碳合金结构钢，经调质并高频表面淬火后，可制作要求较高的表面硬度及耐磨性并带有一定冲击的零件，如齿轮、轴、连杆等。