基于ANSYS的渗碳齿轮动力学分析

摘要： 本文以渗碳齿轮为研究对象，针对传统计算无应力分布等情况，以Ansys软件为平台，对其进行了有限元建模，动力学分析，其结果对齿轮提高可靠性提供了理论基础，对保证安全生产有十分重要的意义。

Abstract： Setting carburized gear as the research object， considering the traditional computing the stress distribution， and based on ANSYS software platform， this paper does the finite element modeling and dynamic analysis， the result provides a theoretical basis to improve reliability of gear， which is of great significance to ensure the safety of production.

关键词： 掘进机；齿轮；ANSYS；动力学分析

Key words： roadheader；carburized gears；ANSYS；dynamics analysis

中图分类号：TH132.41 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）19-0030-02

0 引言

减速器应用非常广泛，具有传动准确、传动平稳和传动高效等优点，是一种不可或缺的机械传动装置，其在掘进机工作过程中承担重要任务，减速器运行的稳定性、可靠性和安全性直接关系到掘进机的工作性能。齿轮是减速器的主要机械零部件，一旦突然失效，将严重影响生产效率，造成极大的经济损失，甚至导致灾难性后果。掘进机的齿轮材料基本采用优质低碳合金钢，经过渗碳等一系列热处理提高综合机械性能，但是目前仍然没有精确的渗碳齿轮的设计公式以及应力分布情况计算。近年来，基于ANSYS的有限元技术的迅速发展和完善，为齿轮的应力分析与预测提供了有力工具，可以准确地评估预测渗碳齿轮的应力分布情况。

1 基于ANSYS的齿轮有限元建模

ANSYS有限元法处理问题的基本特点就是离散化处理，它是把研究的对象，划分成有限数量、有限大小的单元组合体，以便用统一的模式进行分析处理，有限元建模的总则是根据工程分析的精度要求，建立合适的、能模拟实际结构的有限元模型。

渗碳齿轮与普通齿轮的区别是渗碳齿轮有一层渗碳层，进行有限元分析时需要分别定义渗碳层和非渗碳层的参数。渗碳齿轮渗碳层的有效硬化层深度是个很重要的参数，对渗碳齿轮进行有限元仿真分析时，要以有效硬化层的深度为依据进行分析。

渗碳齿轮的啮合具有重复性，为了提高计算效率，选取啮合的部分轮齿进行仿真分析。根据渗碳齿轮的实际情况，把渗碳齿轮分成三部分进行处理，如图1所示。

①刚性区：渗碳齿轮内部结构的应力对全局的影响非常小，把渗碳齿轮内部简化为刚体进行处理；

②渗碳层区：为了便于分析，渗碳层进行适当的简化，以实际的有效渗碳层为基准，假定渗碳齿轮各处的渗碳层厚度保持一致；

③中间区：中间区介于渗碳层与内部刚性区之间。

以一对圆柱直齿轮建立渗碳层，假定圆柱直齿轮的渗碳层分为两层，由于两层渗碳层的弹性模量不一样，中间区渗碳层的弹性模量也不一样，因此对渗碳层中的两层和中间区分别定义材料属性，进行面网格的划分，如图2所示。

对面网格进行拉伸生成单个齿的体网格，最后阵列生成整个主动轮的网格，最后采用同样的方法做出从动轮，完成两个齿轮的装配，如图3所示。

2 渗碳齿轮副的动力学分析

渗碳齿轮的动力学分析不同之处渗碳层区和中间区材料的属性分别进行单独定义。渗碳齿轮的渗碳层区与非渗碳层区由于材料不一样，进行有限元仿真分析时，通过刚性耦合处理将两者耦合为一个实体，通过耦合以后可以分别定义渗碳层区和中间区的材料属性。合理设置关键字，设置线性斜坡加载及阶跃加载载荷步。通过线性插值分别定义其对应的材料属性，建立渗碳齿轮的总体网格如图4所示，划分的单元总数为231539，节点总数为256036，从图4中可以看出渗碳齿轮的渗碳区和中间区呈现不同的材料属性。

渗碳斜齿轮的结果：

①变形和总移：

图5是主动轮逆时针转动，从动轮顺时针转动时的渗碳齿轮的整体变形情况。

②动力学的齿面接触应力分析

如图6所示，齿轮副的最劣接触位置，发生时刻在0.003555s，此时渗碳齿轮由三齿啮合区域进入两齿啮合区域，综合啮合刚度发生突变， 此时齿面的接触应力最大为560.156MPa。最大接触应力处于渗碳齿轮的渗碳层区。

③动力学的齿根弯曲应力

如两图7，图8所示，在0.006488S时，主动轮齿根处于最劣啮合位置，最大齿根弯曲应力为128.061MPa；在0.006084 S时，从动轮齿根处于最劣啮合位置，最大齿根弯曲应力为155.042 MPa。渗碳齿轮的齿根弯曲应力最大值位于渗碳齿轮的渗碳层区域。

3 结语

本文采用ANSYS软件作为分析计算平台，建立精确的齿轮模型，进行齿轮有限元分析，分析结果对齿轮的适时维护和更换提供了理论指导，对掘进机关键元部件提高可靠性提供了理论基础，对保证安全生产，提高企业的经济效益等，都具有十分重要的意义。

参考文献：

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