渐开线圆柱齿轮修形及动力接触特性研究

论文摘要

齿轮传动因具有传动效率高、恒功率等特点,广泛应用于机械、电子、化工、冶金、交通等诸多领域。随着近代工业技术的高速发展,对齿轮传动的减振降噪提出了更高的要求。通过齿轮热弹接触分析、齿轮修形、冲击动力仿真以提高齿轮传动的动力学性能已成为当前高性能齿轮设计的热点。论文课题来源于国家科技支撑计划项目及重庆市自然科学基金项目。将齿轮啮合原理、传热学、接触力学、结构动力学等相结合,对运转过程中的齿轮副进行热弹变形分析及啮合冲击特性研究。本文的主要研究工作如下:①运用齿轮啮合原理的运动学法,推导了渐开线齿轮齿廓方程,并对不同几何参数的渐开线齿轮副进行了接触有限元建模。②基于赫兹接触理论,分析了齿轮副齿面接触压力的变化规律;应用ANSYS软件对运转过程中的齿轮副进行了接触有限元分析,得出了轮齿接触力、接触变形及啮合刚度的变化规律。③分析了齿轮啮合过程中主、被动轮轮齿相对滑动速度,计算了轮齿边界对流换热系数及齿面摩擦热流量,并以多齿对模型分析了齿轮的本体温度场;将温度场、位移场及应力场耦合分析,计算齿轮副的热弹变形,得出齿轮副热弹变形量要比冷态时变形量略小,接触应力较冷态时稍大。④在轮齿接触有限元分析的基础上,进行了轮齿的修形研究,得到了齿轮副在没有考虑温度影响与考虑温度影响时的修形曲线;利用ANSYS软件对啮入、啮出位置时标准渐开线齿轮副和修形齿轮副进行了接触分析,修形后轮齿接触应力明显减小。⑤建立了标准渐开线齿轮和修形齿轮的动力接触有限元分析模型,利用ANSYS/LS-DYNA软件仿真,得到了啮合过程中齿轮副动态接触力及动态应力变化规律,修形后的齿轮接触特性明显改善。⑥通过Visual Basic及ANSYS/APDL语言开发了齿轮热弹接触分析及动力接触有限元分析程序;程序能建立任何模数、齿数、螺旋角及变位系数的齿轮副有限元模型;可以方便地借助ANSYS软件的二次开发实现齿轮副的静力接触、动力接触以及齿轮本体温度场分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及其研究意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 齿轮参数化建模的发展概况
• 1.2.2 齿轮传动啮合刚度研究的发展概况
• 1.2.3 齿轮温度场及热弹变形研究的发展概况
• 1.2.4 渐开线齿轮修形研究的发展概况
• 1.2.5 齿轮动力接触及冲击问题的概述
• 1.3 本文的主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 2 渐开线齿轮参数化建模
• 2.1 引言
• 2.2 啮合原理的运动学法
• 2.2.1 坐标变换关系
• 2.2.2 相对运动速度
• 2.3 齿廓方程公式的推导及斜齿轮螺旋线方程
• 2.3.1 单圆弧滚刀加工齿轮
• 2.3.2 双圆弧滚刀加工齿轮
• 2.3.3 不同加工方法的齿轮齿廓比较
• 2.3.4 斜齿轮螺旋线方程
• 2.4 参数化建模实例
• 2.4.1 渐开线直齿轮副有限元模型
• 2.4.2 渐开线斜齿轮副有限元模型
• 2.5 本章小结
• 3 齿轮运转过程中的接触分析
• 3.1 引言
• 3.2 赫兹接触理论及接触压力计算
• 3.3 有限元接触分析
• 3.3.1 接触分析分类
• 3.3.2 ANSYS 接触能力
• 3.4 轮齿的约束及载荷
• 3.5 齿轮传动变形和刚度分析
• 3.5.1 ANSYS 中接触力与变形的提取方法
• 3.5.2 齿轮副接触力及啮合刚度分析
• 3.6 本章小结
• 4 渐开线齿轮本体温度及热弹耦合分析
• 4.1 引言
• 4.2 热分析及耦合场简介
• 4.2.1 热分析简介
• 4.2.2 耦合场分析简介
• 4.3 相对滑动速度的变化与分布
• 4.4 对流换热系数及摩擦热
• 4.4.1 对流换热系数计算
• 4.4.2 摩擦热计算
• 4.5 轮齿本体温度有限元分析
• 4.5.1 轮齿有限元模型
• 4.5.2 边界条件及载荷的确定
• 4.5.3 本体温度计算结果及讨论
• 4.6 齿轮副热弹变形分析
• 4.6.1 齿轮副本体温度
• 4.6.2 齿轮副热弹耦合分析
• 4.7 本章小结
• 5 渐开线齿轮的齿廓修形
• 5.1 引言
• 5.2 齿轮啮合传动特性
• 5.3 渐开线齿轮齿廓修形原理
• 5.4 齿廓修形实例
• 5.4.1 修形曲线方程
• 5.4.2 修形效果
• 5.5 本章小结
• 6 渐开线齿轮动力接触有限元分析及修形影响
• 6.1 引言
• 6.2 ANSYS/LS-DYNA 动力接触理论介绍
• 6.2.1 LS-DYNA 动力分析功能介绍
• 6.2.2 动力学基本方程
• 6.2.3 显式时间积分与时步控制
• 6.2.4 基于对称罚函数法的动态接触算法
• 6.2.5 求解控制技术
• 6.3 齿轮动力仿真模型
• 6.3.1 有限元模型
• 6.3.2 边界条件
• 6.4 齿轮动力接触数值仿真
• 6.4.1 标准渐开线齿轮动力接触仿真结果
• 6.4.2 修形齿轮动力接触仿真结果
• 6.5 本章小结
• 7 应用程序开发
• 7.1 引言
• 7.2 ANSYS 二次开发语言APDL 简介
• 7.3 Visual Basic 程序开发语言简介
• 7.4 应用程序开发
• 7.4.1 程序总体设计
• 7.4.2 参数化设计
• 7.4.3 齿轮副静力接触分析模块
• 7.4.4 齿轮副动力接触分析模块
• 7.4.5 齿轮本体温度场分析模块
• 7.5 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录