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基于ANSYS/LS 2DY NA 的直齿锥齿轮动力学接触仿真分析高 翔,程建平(江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江 212013)摘要:针对直齿锥齿轮疲劳破坏中出现儿率最高的齿面接触疲劳强度问题,在UG 中建立齿轮几何模型,利用ANSYS/LS 2DY NA 对齿轮进行动力学接触仿真分析,计算了齿轮副在啮合过程中齿面接触应力、应变的变化情况及两对轮齿同时接触过程中接触压力的分布情况。
关键词:直齿锥齿轮;AN S YS /LS 2D Y NA;动力学;接触仿真分析中图分类号:TH132.421 文献标识码:A 文章编号:1006-0006(2008)02-0050-02Dynam ic Contact Emulate Analysis of Bevel Gear with ANSYS/LS 2DY NAGAO X iang,CHEN G J ian 2ping(School of Aut omotive and Traffic Engineering,J iangsu University,Zhenjiang 212013,China )Ab s tra c t:Geometrical model of a bevel gear is established and bevel gear dyna m ic emulati on analysis is operatedwith ANSYS/LS 2DY NA s oft w are f or that the fatigue failure p r obability of bevel gear is the highest in t ooth surfaces contact fatigue resistance .The contact stress and def or mati on during the meshing p r ocess are calculated .And the distributi on of contact f orce is calculated when t w o pairs of teeth contact si m ultaneously .Key wo rd s:Bevel gear;ANSYS/LS 2DY NA;Dyna m ic;Contact si m ulati on analysis 由于车用齿轮的传动比和传递功率大,加工难度与成本都相当高,所以如何提高车用齿轮的传动性能与使用寿命,近年来一直深受社会各界的广泛关注。
第1篇一、实验背景齿轮作为机械传动系统中的重要组成部分，其性能直接影响着整个系统的效率和寿命。
为了提高齿轮设计的准确性和可靠性，本研究采用有限元分析（FEA）和刚柔耦合动力学仿真（Rigid-Flexibility Coupling）方法，对齿轮进行仿真耦合实验，以评估齿轮在实际工作条件下的力学行为和性能。
二、实验目的1. 建立齿轮的有限元模型，并进行网格划分。
2. 通过有限元分析，计算齿轮在静态载荷作用下的应力分布和变形情况。
3. 利用刚柔耦合动力学仿真，模拟齿轮在实际工作条件下的动态响应。
4. 分析齿轮的疲劳寿命和强度性能，为齿轮设计和优化提供理论依据。
三、实验方法1. 有限元模型建立与网格划分首先，根据齿轮的实际尺寸和材料属性，建立齿轮的几何模型。
然后，采用四面体网格对齿轮进行网格划分，确保网格质量满足仿真要求。
2. 静态载荷下的有限元分析在有限元分析中，将齿轮置于静态载荷作用下，通过求解非线性方程组，得到齿轮的应力分布和变形情况。
主要关注齿轮的齿面接触应力、齿根应力、齿面磨损和齿面疲劳寿命。
3. 刚柔耦合动力学仿真为了模拟齿轮在实际工作条件下的动态响应，采用刚柔耦合动力学仿真方法。
将齿轮视为柔性体，同时考虑齿轮与轴承、轴等部件的相互作用。
通过施加转速和扭矩等激励，模拟齿轮在旋转过程中的动态响应。
4. 疲劳寿命和强度性能分析在仿真过程中，对齿轮的疲劳寿命和强度性能进行分析。
通过计算齿面接触应力、齿根应力等参数，评估齿轮的疲劳寿命和强度性能。
四、实验结果与分析1. 静态载荷下的应力分布和变形通过有限元分析，得到齿轮在静态载荷作用下的应力分布和变形情况。
结果表明，齿轮的齿面接触应力主要集中在齿根附近，齿根应力较大。
同时，齿轮的变形主要集中在齿面和齿根处。
2. 刚柔耦合动力学仿真结果通过刚柔耦合动力学仿真，模拟齿轮在实际工作条件下的动态响应。
结果表明，齿轮的齿面接触应力、齿根应力等参数在旋转过程中发生变化，但总体上满足设计要求。
根据图1可知赫兹接触理论模型的接触半宽为：式中，E1、E2为齿轮1、齿轮2、齿轮2的泊松比；L为接触面长度；最大值；F n为外力；R1为齿轮1的分度圆半径；的分度圆半径；b为接触面半宽。
赫兹接触理论模型的接触应力为：（考虑齿轮传动中小齿轮单对齿啮合系数Z B ；节点区域系数Z H ；弹性系数Z E ；重合度系数Z L ；螺旋角系数Z β；荷系数K ；太阳轮上转矩T 1；齿轮传动比i ，得到最大接触应力为：（由弹性理论可得内力与体积力的关系方程为：体内的应力与表面力存在的边界条件为：式中，F Sx 、F Sy 、F Sz 为表面力在x 为表面外法线方向余弦。
对于具有接触面的结构，在承受荷载的过程中，面的状态变化影响接触体的应力场，接触状态。
分析接触问题的常用方法有数学规划法、元法和有限元法，对复杂的接触问题常用有限元法。
有限接触点的柔度方程组为：式中，δi ，A 和C Aij 为物体A 在接触点子矩阵；δi ，B 和C Bij 为物体B 在接触点矩阵；m 1为外力作用点数；R Ak 为载荷向量。
由于两相互接触物体一般不会产生渗透，两接触面间的接触关系以阻止穿透的发生，表面接触，存在大变形的摩擦接触时可引入额外因子虽然拉朗格朗日乘子模型能够得到接近零的穿透量，但计算量较大。
当允许有较小的穿透量时可使得接触状态图1赫兹接触理论模型F nR 1σHmax2bR 2F n图2基于UG的齿轮对接触仿真模型图3基于UG的齿轮对接触分析位移云图得到齿轮对的应力云图如图4所示。
可知齿轮对在接触区的应力较大，且最大应力发生在齿轮对接触面上，与实际情况相符，齿轮对的最大应力为15.53MPa，远小于材料的屈服应力。
通过对齿轮对接触面处的接触分析可进一步了解齿轮对的传动性能情况。
图4基于UG的齿轮对接触分析应力云图得到齿轮对的接触力与接触压力云图如图5所示。
将视图进行局部选择，图5（a）为齿轮对接触面处接触力云图，图5（b）为齿轮对接触面处的接触压力云图。
直齿轮adams接触（碰撞）仿真分析本⼈亲做斜齿轮参数为：算得其中⼼距：153.37 传动⽐：i=3根据三相啮合⼒的计算公式算得斜齿轮受⼒为：15650.365823.523326.59t r a F N F N F N=== 齿轮参数化建模：齿轮轮齿的⽣成主要有两种：⼀，直接⽣成轮齿；⼆，切除齿槽形成轮齿。
斜齿轮的⽣成过程中，重点是渐开线和螺旋线的⽣成环节。
⾸先要确定渐开线⽅程，确保每个尺⼨都是通过参数约束的。
其次要确定螺旋线⽅程。
最后通过扫描混合（或者可变截⾯扫描）、镜像、阵列等命令创建出渐开线斜圆柱齿轮。
创建斜齿轮的参数关系：Alpha_t=atan(tan(Alpha_n)/cos(Beta)) Ha=(Ha_n+X_N)*M_NHf=(Ha_n+C_N-X_N)*M_N D=Z*M_N/cos(Beta) Db=D*cos(Alpha_t) Da=D+2*Ha Df=D-2*Hf采⽤的渐开线⽅程式：Rb=Db/2 theta=t*45x= Rb*cos(theta)+Rb*sin(theta)*theta*pi/180 y=0z= Rb*sin(theta)-Rb*cos(theta)*theta*pi/180采⽤的螺旋线⽅程式：x=D*cos(t*360*B*tan(beta)/(PI*D))/2 y=B*tz=Ds*D*sin(t*360*B*tan(beta)/(PI*D))/2上述关系式中D 是分度圆直径，DB 是基圆直径，Da 是顶圆直径，Df 是齿根圆直径，DS 表⽰斜齿轮的旋向（左旋为1，右旋为-1）。
其中螺旋线⽅程中B*tan(beta)/(PI*D)表⽰螺旋线转过的圈数。
三维模型建⽴⽤上述参数利⽤proe 建⽴齿轮三维模型并装配好，如图1,、图2所⽰图1图2将三维模型导⼊adams定义导⼊模型后，逐步进⾏：材料属性定义，添加约束，添加驱动，添加负载，添加接触⼒，然后得到仿真处理前期⼯作，如图3，图4所⽰图3图4、仿真后处理仿真后处理得到斜齿轮三个⽅向上波动图和均值。
