静态与冲击载荷作用下偏斜齿轮的有限元分析

齿轮的精确建模及其接触应力有限元分析齿轮是重要的机械设备，它们有着多种形式，如环形齿轮、锥齿轮和梯形齿轮，被广泛应用在汽车、机械设备、工具等行业。

它们所传递的动力有助于推动物体或机器向前挪动。

齿轮非常易受外界的影响，因此，对于齿轮的精度和失效率要求很高，而精确的齿轮建模是实现这个目标的第一步。

一般来说，通常有三种方法可以实现齿轮的精确建模：三维图形模型建模、概念模型建模和有限元分析法建模。

三维图形模型建模是以三维图形模型来建立齿轮模型。

首先，用技术软件进行三维视图建模，对整体结构进行建模，然后根据软件自带的各种三维图形模型，如锥形、柱形、拱形等，把齿轮模型建模出来。

此外，还要根据设计要求，调整软件中的相应参数，从而获取更精确的模型。

概念模型建模是以概念模型来建立齿轮模型。

首先，根据实际齿轮类型，用图纸进行绘制，把整体结构模型化，然后参照齿轮实物图纸，把模型拼凑出来，根据设计要求，把细节处理好，完成概念模型建模。

有限元分析法建模是以有限元分析法来建模的。

有限元分析是一种物理对象的数值模拟，可在精确模拟物体的具体状态时，预测物体的未来状态，而且还可以将物体的变形、破坏等状态表示出来。

有限元分析能够准确模拟出齿轮的接触应力，最大限度地提高了齿轮的使用寿命，减少了设备和齿轮发生故障的可能性。

此外，有限元分析还可以用来预测齿轮受力的状态，以便进一步验证齿轮的设计和性能。

在齿轮设计中，也可以使用有限元分析法测试润滑油孔尺寸、斜角、圆滑系数等参数，从而更好地优化齿轮设计。

综上所述，齿轮的精确建模及其接触应力有限元分析是齿轮设计过程中的一个重要环节，它为齿轮的使用和维护提供了依据，有助于提高齿轮性能和可靠性。

基于有限元法齿轮强度分析摘要：齿轮变形和应力的仿真分析是齿轮结构设计的必然趋势，仿真分析进入三维领域后，计算模型将更真实、精确、全面。

通过个人图形工作站，既能快速计算，又能更加直观、仔细、迅速、精确地观察到计算结果。

误差可控制在1%内，是实验法无法相比也无法做到的，为齿轮CAE分析奠定了基础。

利用有限元和相关有限元分析软件能有效地对直齿轮进行模拟仿真。

从而可以减少实验费用，将为齿轮的动态设计、优化设计和可靠性设计打下新的基础。

这样不仅能优化齿轮结构、齿形和齿廓，还能优化齿轮材料和工艺，实现齿轮结构、材料和工艺的创新设计。

关键词有限元法；齿轮；强度；分析一、齿轮接触分析的有限元算理接触是一种非线性行为，是状态变化非线性类型中的一个特殊而重要的子集。

轮齿啮合过程中包含正常的接触，同时也包括因误差、变形、侧隙、变速等因素引起的瞬态冲击。

因此，齿轮接触分析结果包含轮齿的弯曲、剪切、局部压缩以及轮体挠曲等综合变形引起的齿根最大应力的变化，有限元接触分析建立在弹性理论和接触力学基础之上，在求解齿轮啮合的非Herz接触比较有效有限元法是最近几十年内较为通用的计算方法，它是一种离散化的数值模拟方法。

有限元法的基本思想是将物体离散化，问题的求解域划分为一系列的单元，单元与单元间通过节点相互连接＂。

单元内部的待求量可以由单元节点量通过选定的函数关系插值得到。

由于单元形状简单，易于从平衡关系和能量关系建立节点量的方程式，然后将各单元方程组集成总体代数方程组，计入边界条件后可对方程求解。

求解时要根据方程组的具体情况来选择计算方法。

总体来说，有限元法即是“一分一合”，分是为进行单元分析，合则是为了整体综合分析目前，利用有限元法对齿轮的研究主要是两个方面：一是利用有限元软件对齿轮进行仿真分析，在建模和加载的时候综合考虑齿轮啮合过程中的各种影响因素，使结算结果更加的贴近实际，并以次为依据来指导齿轮的设计和加工［13].近年来，越来越多的公司在产品的设计初期开始利用有限元软件，分析出产品可能出现的问题，针对这些问题对产品优化设计，这一方法即能有效的缩短产品的样品制造一测试一改进一再制造的时间，大大降低了产品的研制周期，提高设计效率；而且有限元软件都是利用电脑仿真，不需要制造样品测试，也可以避免产品的余量设计，降低了生产成本，节能环保。

学号:08507019⑧还比衣林弟妆大学20：U届本科生毕业论文（设计）题目：基于ANSYS的齿轮模态分析学院（系）：机械与电子工程学院专业年级：机制072班______________学生姓名: 何旭栋指导教师:合作指导教师:完成日期：2011-06-第一章绪论........................................................................ -1 - 1.1课题的研究背景和意义......................................................... -1 - 1.2齿轮弯曲应力研究现状......................................................... -1 - 1.3齿面接触应力研究现状 ........................................................ -2 - 1.4齿轮固有特性研究现状......................................................... -2 - 1.5论文主要研究内容............................................................. -3 - 第二章齿轮三维实体建模............................................................ -3 - 2.1三维建模软件的选择.......................................................... -3 - 2.2齿轮参数化建模的基本过程..................................................... -4 - 2.3利用pro/e对齿轮进行装配..................................................... -5 - 第三章齿轮弯曲应力有限元分析..................................................... -6 - 3.1齿轮弯曲强度理论及其计算 .................................................... -6 -3. 1. 1齿轮弯曲强度理论......................................................... -6 -3. 1. 2齿形系数的计算方法....................................................... -7 - 3.2齿轮弯曲应力的有限元分析..................................................... -8 -3.2. 1选择材料及网格单元划分 .................................................. -8 -3. 2. 2约束条件和施加载荷....................................................... -8 -3.2.3计算求解及后处理......................................................... -9 - 3.3齿轮弯曲应力的结果对比...................................................... -12 - 第四章齿轮接触应力有限元分析.................................................... -13 -4.1经典接触力学方法........................................................... -13 - 4.2接触分析有限元法思想........................................................ -14 - 4.3 ANSYS有限元软件的接触分析................................................. -16 -4.3. 1 ANSYS的接触类型与接触方式............................................ -16 -4.3. 2 ANSYS的接触算法...................................................... -16 - 4.4齿轮有限元接触分析.......................................................... -17 -4.4. 1将Pro/E模型导入ANSYS软件中 ....................................... -17 -4.4.2定义单元属性和网格划分................................................ -17 -4.4.3定义接触对............................................................ -18 -4.4.4约束条件和施加载荷.................................................... -18 -4.4. 5定义求解和载荷步选项................................................ -19 -4.4.6计算求解及后处理...................................................... -19 - 4.5有限元分析结果与赫兹公式计算结果比较 .................................... -21 - 第五章齿轮模态的有限元分析...................................................... -22 -5.1模态分析的必要性........................................................... -22 - 5.2齿轮的固有振动分析.......................................................... -22 - 5.3模态分析理论基础............................................................ -22 - 5.4模态分析简介................................................................ -24 -5.4. 1模态提取方法........................................................... -24 -5. 4.2模态分析的步骤.......................................................... -25 - 5.5齿轮的模态分析........................................................... -25 -5.5. 1将Pro/E模型导入ANSYS软件中 ....................................... - 25 -5.5.2定义单元属性和网格划分............................................... -25 -5. 5.3加载及求解........................................................... -26 -5. 5.4扩展模态和模态扩展求解............................................... - 26 -5. 5. 5查看结果和后处理..................................................... -27 - 5.6 ANSYS模态结果分析...................................................... - 28 - 第六章全文总结与展望.......................................................... -31 -6. 1全文总结................................................................. -31 - 6.2本文分析方法的优点....................................................... -31 - 6.3本文缺陷及今后改进的方向................................................. -32 - 参考文献...................................................................... -33 - 附录1外文翻译................................................................ -34 - 附录2 GUI操作步骤............................................................ -41 - 致谢........................................................................... -45 -绪论第一章绪论1.1课题的研究背景和意义本文研究的对象是履带式拖拉机变速箱齿轮。

482020.增刊CMTM1 引 言塔式起重机工作时，频繁旋转、提升、下降，在此复杂的工况下，其齿轮系统将受到扭转、振动，齿轮系统容易发生机械共振，过早出现疲劳失效。

因此，塔机齿轮系统设计时，有必要对齿轮固有特性进行分析。

另外，齿轮发生断齿、齿面点蚀、磨损、黏着磨损、齿面塑性变形等失效，其根本原因是齿轮在弯曲应力以及接触应力共同作用下，而发生变形和断裂以及造成的表面磨损。

综合考虑以上两方面原因，对齿轮进行静力学分析和模态分析非常有必要。

传统齿轮设计效率低、周期长，本文首先利用Creo 软件完成渐开线齿轮参数化建模，然后通过Workbench 软件实现齿轮应力、模态分析，探索一种新的齿轮设计方法，为同类型产品设计分析提供一定参考。

2 齿轮参数化建模为适应新的市场形势，旨在解决制造企业三维设计软件在使用性、交互性、数据转换以及对硬件配置需求等问题，美国PTC 公司在2010年推出的一款新的CAD 设计软件Creo 。

本文主要利用Creo 中Parametric 模块强大的三维参数化建模功能，通过 “参数”“关系”“模型基准”“曲线”等命令，建立参数化渐开线圆柱齿轮模型，弥补了workbench 不易创建复杂模型的缺点，提高了设计效率。

2.1 齿轮参数渐开线齿轮基本参数主要有：齿轮、模数、压力角、齿顶高系数、变位系数、削顶系数等，本文中选用的齿轮参数如表1所示。

摘　要：塔机在起吊和转运时对传动齿轮产生强大的冲击和振动，因此在塔机设计时，对其传动齿轮静力学和动力学分析非常必要性。

本文基于Cero 三维建模软件实现塔机渐开线直齿轮参数化建模，并通过Workbench 软件创建有限元模型，根据实际情况对齿轮施加边界条件和载荷，实现了齿轮的静力学和模态分析。

为渐开线齿轮设计和实际生产中如何避免共振提供一定理论参考。

关键词：塔机；齿轮；参数化建模；模态分析中图分类号：TH13 文献标识码：B基于Creo和Workbench的齿轮参数化建模及有限元分析Parametric modeling and finite element analysis of gear based on Creo and Workbench张 帅/ZHANG Shuai 1 刘凤永/LIU Fengyong 1 陈冬冬/CHEN Dongdong 2（1.徐州罗特艾德回转支承有限公司，江苏 徐州 2210002.徐工集团徐工消防安全装备有限公司，江苏 徐州 221000）名 称描 述赋 值z 齿数37m 模数12apha 压力角/°20ha 齿顶高系数 1.0c 齿顶系数0.25d 分度圆直径/mm #m*z db 基圆直径/mm #m*z*cos(apha)da 齿顶圆直径/mm #d+2*m*(ha+x)df 齿根圆直径/mm #d-2*m*(ha+c-x)x 变位系数0k 削顶系数0b齿宽/mm100注：表中“#”中的数值无需输入，通过“关系”模块会自动生成。

《装备制造技术》２００７年第１２期设计与计算!!!!"!"!!!!"!"收稿日期：２００７－１０－０７作者简介：王宝昆（１９８２—），男，在读硕士研究生，研究方向：机械设计及理论。

斜齿轮的参数化建模及接触有限元分析王宝昆，张以都（北京航空航天大学，北京１０００８３）摘要：在ＵＧ／ＯｐｅｎＧｒｉｐ中的实现了渐开线以及螺旋线的设计，建立了斜齿轮的三维参数化模型，并利用ＡｎｓｙｓＷｏｒｋｂｅｎｃｈ对斜齿轮进行了接触应力分析。

关键词：斜齿轮；ＵＧ／ＯｐｅｎＧｒｉｐ；ＡＮＳＹＳ；参数化设计；ＦＥＡ中图分类号：ＴＨ１３２．４１３文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－５４５Ｘ（２００７）１２－００３７－０２ＵＧ的ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ系统提供了一个基于过程的产品设计环境，但ＵＧ并没有提供专用产品所需要的完整计算机辅助设计与制造功能。

利用ＵＧ／ＯｐｅｎＧｒｉｐ语言开发的程序，可以直接完成与ＵＧ的各种交互操作，与ＵＧ系统集成［１］。

ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ整合了ＡＮＳＹＳ各项顶尖产品，可以简单快速地进行各项分析及前后处理操作。

ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ与ＣＡＤ系统的实体及曲面模型具有双向连结，导入ＣＡＤ几何模型成功率高，可大幅降低除错时间且缩短设计与分析流程。

笔者利用ＵＧ／ＮＸ的参数化建模技术和它所提供的二次开发语言模块ＵＧ／ＯｐｅｎＧｒｉｐ实现了成斜齿轮三维实体的参数化设计，并运用ＡＮＳＹＳ最新的ＷｏｒｋＢｅｎｃｈ模块实现了ＣＡＤ／ＣＡＥ的无缝集成，对斜齿轮进行啮合过程中接触状态进行了分析。

１渐开线斜齿圆柱齿轮参数化设计１．１编程思路将ＵＧ的三维参数化造型、自由曲面扫描等功能有机结合起来，采用去除材料法生成三维模型。

由于斜齿轮的齿面为渐开螺旋面，故其端面的齿形和垂直于螺旋线方向的法面齿形是不相同的，法面参数和端面参数也不相同。

在ＵＧ／ＯｐｅｎＧｒｉｐ中建模的方法是，画出端面齿形然后通过投影关系获得其法面轮廓线，再画出能表达端面齿顶圆上某一点沿轴向运动的螺旋线轨迹；然后用特征命令扫描出完成斜齿轮的齿坯，通过布尔运算获得单个齿槽，并通过环形阵列最终获得斜齿轮的完整轮齿。

３０机械工艺师２０００．１０—————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————一～斜齿轮的齿面载荷及啮合刚度数值分析口林腾蛟李润方朱才朝杭华江擅要基于齿格啮合原理和接触问是有艰元法。

提出了一种白赫生成任意咕台位王有限元模型的算法，开发了啮合轮齿自动建模程序度接齄有限元分析程序，井对井啬轮进行分析计算，得到了培定啮夸住王齿面截荷分布曲线和运转过程啮合剐度的变化曲线。

关■词：辩齿轮自动ｔ其接■问量有厦元法为了研究斜齿轮接触压力沿齿面分布情况，计算齿面啮台刚度，本文提出了一种自动生成齿面任意啮合位置接触有限元计算模型的方法，编制了相应的轮齿自动建模程序。

应用接触有限元混合计算公式，编制了轮齿接触有限元分析程序。

本文开发的程序巳用于多个工程实际项目的分析，计算结果可靠．对指导齿轮设计有较大的实际意义。

一、轮齿接继有限元自动建模１．轮齿阿格生成方法首先建立如图１所示的整体坐标系ＹＯＺ和旋转坐标系ｙ１０。

五，主动轮和被动轮的轴心分别通过原点０，和０。

ＹＯＺ坐标系中所示的轮齿为生成前端面网格的原始位置。

以大、小齿轮第一对齿在前蛸面节点啮合位置作为转角初始位置。

相对莱一转角位置各对齿的网格生成方法如下：１）确定轮齿接触线位置，计算前靖面的啮合点坐标。

以该点为分界点。

将主、被动轮齿顶部分网格均分，而齿根部分的嘲格由与其啮合的齿顶阿格决定。

２）根据齿根过渡曲线方程及轮体尺寸要求，计算前端齿根过渡部位及轮体部位离散点坐标．并生成阿格节点。

３）齿长方向各截面网格由前端面网格沿基圆柱旋转延伸生成。

２．轮齿的边界条件处理将被动轮轮体作为固定约束，主动轮轮体径向按斜约束处理，切向施加均布载荷，如图２所示。

载荷大小为：口＝正，（‘Ｕ）…………………………………（１）式中羁——主动轮转矩‘——舶载面曲率半径‘——加赣面圆弧长度６——齿宽３．轮齿自动建模程序设计Ｉ鞋齿接■■垒标计算Ｉ－ｌ计算齿膏＾鼓点生标』晤甄而面商函葡而ｉ鼐，、—————————ｊＥ——．．。

基于 A NSY S/ LS - D Y NA 的齿轮传动冲击特性仿真分析张发民( 北京理工大学 机械与车辆学院 , 北京 100081)摘要 以连续介质波动理论为基础 ,使用 ANSY S/ LS - DY NA 有限元动力学仿真软件 ,建立了一对齿 轮传动的冲击特性仿真模型 ,得到了在不同加载 、初始条件下 ,参与啮合的每个轮齿齿面动载荷和齿轮啮 合力随时间变化的曲线 ,以及被动齿轮的转速动态响应曲线 ,从而为齿轮的强度分析提供了可靠依据 。

关键词 齿轮传动 冲击 有限元方法Simulation A nalysis of G ear T ransmissi on Imp act Ch aracteristicb a s e d on ANSYA/ LS - DY NAZhang Famin( School of Mechanical & V ehicle Engi neeri ng ,Be ijing I nstitute of Technology ,Beijing 100081 ,China )Abstract The sim ulati on m odel of gear transm issi on im pact characteristic is established by using the ANSY S/ LS - D Y NA software based on the continuous medium ware theory. The curves of the meshing force and dynamic l oad be 2 tween gear tooth surface changing with tim e , and the dynamic response curve of driven gear rotati onal speed curve un 2 der different l oad and initial conditi ons are acquired. The reliable basis for gear strength analysis is provided.K ey w or d s G ear transm issi onIm pactFE M学问题 ,同样也非常适用于齿轮动态啮合特性的数值仿真研究 。

兆瓦级风机增速器轮齿修形及载荷研究【摘要】齿轮在现代工业中得到了广泛的应用,特别是近年来在风力发电设备中的应用,对其性能要求更高,轮齿修形技术对提高齿轮传动性能具有重要意义。

本文以兆瓦级风电增速箱中的输出端大小齿轮为研究对象,基于渐开线齿轮啮合原理和振动冲击理论,从理论上分析了齿轮啮合载荷,完成了齿向、齿廓的修形设计,应用有限元软件对齿轮啮合运动进行了动态接触仿真,分析了啮合载荷分配与分布情况,比较了修形前后的压力分布和接触应力。

本文首先根据加工刀具齿廓方程推导了组成轮齿齿廓的各段曲线方程,以此为基础应用NX软件建立了精确的大小斜齿轮三维模型,并完成了齿轮副的装配,然后把分析模型导入到有限元软件中,并进行了网格划分。

其次,结合斜齿轮啮合变形协调条件和力平衡条件,建立了节点力和啮合变形的线性方程,并从理论上分析了斜齿轮的齿向载荷分布和齿间载荷分配。

应用有限元软件动态模拟了齿轮啮合过程,得出了齿面接触应力分布云图,同时探讨了对接触分析有重要影响的刚度系数和摩擦系数的选取问题。

然后,分析比较了三种齿向修形方法,提出了螺旋角修形的齿向修形方案,并通过对带轴齿轮的动态接触分析,确定了螺旋角修形量。

同时根据齿廓修形理论,确定了齿廓曲线的最... 更多还原【Abstract】 Gears are commonly used in industry, especiallyin the wind power generation equipment in the recent years, which requires better performance. Modification has a greatsignificance to improve the loading capacity of gears. Output gears of increasing gearbox of Megawatt Wind Accelerator were studied in this paper. Based on principles of involutes gears and vibration theory, the analysis of mesh load based on theoretical, completed helix angle modification and tooth profile modification was made. ... 更多还原【关键词】斜齿轮；有限元法；动态接触分析；啮合载荷；轮齿修形；【Key words】Helical Gear；FEM；Contact Analysis of Dynamic；Load of Meshing；Gear Modification；摘要5-6Abstract 6-7第一章绪论10-151.1 课题的背景和意义111.2 国内外研究现状和发展趋势11-131.2.1 国外的研究现状11-131.2.2 国内的研究现状131.3 课题的主要研究方法13-15第二章非线性接触有限元法15-192.1 有限元法解算的基本步骤15-162.2 非线性接触有限元法16-182.2.1 接触有限元法的基本概念16-172.2.2 接触问题求解的过程172.2.3 求解接触问题的罚函数法17-182.4 本章小结18-19第三章斜齿轮模型的建立及啮合载荷研究19-403.1 斜齿轮齿廓曲线方程的建立19-223.2 建立斜齿轮模型22-323.2.1 齿轮的基本参数22-233.2.2 NX建模23-273.2.3 斜齿轮模型的导入、参数设置及网格划分27-323.3 斜齿轮啮合载荷研究32-343.3.1 啮合载荷分配32-333.3.2 齿向载荷分布33-343.4 有限元法的啮合载荷研究34-373.4.1 有限元法研究齿间载荷分配的数学模型34-363.4.2 ANSYS/LS-DYNA分析轮齿接触应力分布36-373.5 主要接触参数的分析37-393.5.1 接触刚度系数的选取37-383.5.2 摩擦系数的选取38-393.6 本章小结39-40第四章轮齿修形研究40-604.1 齿向修形研究40-454.1.1 齿向修形技术40-414.1.2 螺旋角修形理论41-434.1.3 螺旋角修形量的确定43-454.2 齿廓修形研究45-514.2.1 齿轮的啮合传动分析45-484.2.2 齿廓修形方法48-494.2.3 齿顶修形量、修形长度和修形曲线的确定49-514.3 修形前后的结果分析51-584.3.1 修形前各齿接触应力和压力曲线51-544.3.2 修形后各齿接触应力和压力曲线54-574.3.3 修形前后结果比较57-584.4 本章小结58-60第五章结论60-625.1 结论605.2 展望60-62参考文献。