考虑齿面及轴线偏差的斜齿轮接触有限元分析

发布时间：2020-04-08 18:49

【摘要】： 渐开线圆柱齿轮被广泛应用于各行各业,特别是近年来在风电增速齿轮箱中的使用,对其性能提出了更高要求。修形技术对提高齿轮箱传动性能有重要意义,而齿面偏差和轴线偏差是对齿轮强度产生影响的误差因素。本文以一对风电增速齿轮箱斜齿轮为研究对象,通过接触有限元分析深入研究了齿轮修形的原理和方法,并分别讨论了齿面偏差和轴线偏差对载荷分布的影响。首先,从刀具齿廓方程出发推导了连续的各段齿廓曲线方程,实现快速精确地建立斜齿轮齿廓,然后从不同修形方式出发,分别对局部模型和整体模型进行建模。结合有限元理论对斜齿轮的网格划分和加载等问题进行了探讨,并将局部模型加载方式与李润方和F.L.Litvin的方式进行对比,以说明本文加载方式的可行性。其次,在局部模型和整体模型接触分析结果的基础上,通过分析各变形量之间的关系深入探讨了不同修形方式的原理和方法,并通过对比说明齿廓修形、修鼓和螺旋角修形的不同针对性。通过对齿廓修形后的局部模型和综合修形后的整体模型进行分析,表明所用修形方法能很好地减小顶刃刮行、啮入啮出冲击、端面效应和偏载现象。最后,分别研究了齿面偏差和轴线偏差对斜齿轮接触线上载荷分布的影响。将齿面偏差分解为单个齿距偏差、齿廓形状偏差、螺旋线形状偏差、齿廓倾斜偏差和螺旋线形状偏差等五种相互独立的类型,并包括了5级和7级两个精度等级,以局部模型为基础进行接触分析,对比结果可以看出各偏差形式对齿间和齿向载荷分布的影响有很大差别,且随精度等级和载荷大小有所不同,并具有一定程度的可叠加性。对轴线偏差的研究以整体模型为基础,分别针对中心距偏差、轴线平行度偏差以及轴承游隙,对平行度偏差的推荐公式提出了改进建议,考虑轴承游隙的方法能更好地确定轴颈的实际位置,反映更加真实的啮合状况。本文对斜齿轮的有限元分析突出了建模与加载的快速精确,修形数据经企业应用验证显示了较好的效果,对齿面偏差和轴线偏差的分类研究比以往更为细致,能反映出各偏差形式对载荷分布的不同影响以及相似之处,为进一步研究误差对齿轮强度的影响以及设计高性能齿轮箱提供基础。
【图文】：

建模方式,局部模型

局部模型沿轴向或螺旋线截取对结果的影响不大【6’]，这里的研究采用了沿螺旋线方向截取的方式。由于重合度为2.66，啮合过程中交替出现两齿和三齿啮合状态，啮合齿个数不会超过3，为方便研究，两种模型都只建立了3个轮齿。两种模型如图3.4所示，图中两模型均为两齿啮合状态，且处在相同的啮合位置。a)局部建模b)整体建模图3.4局部和整体两种建模方式 Fig.3.4Partmodelingandfullmodeling3.2局部模型的有限元分析与齿廓修形3.2.1局部模型网格划分与加载采用10节点四面体单元SOLID187对局部模型进行网格划分，划分时对接触线周围的单元进行了细化，使得接触半宽上的单元尺寸小于八分之一接触半宽，在计算机资源允许的条件下尽量提高求解精度。两齿之间的接触问题通过建立接触对实现，按照目标面和接触面的选择原则，小齿轮齿廓的曲率较大，故选取大齿轮的齿廓面为目标面，小齿轮的齿廓面为接触面，接触单元采用CONTA174。加载时将小齿轮底面和两侧面的节点完全约束

示意图,局部模型,网格,加载

r (3.10)图3.5为局部模型的网格及其加载的示意图。a)网格划分b)加载方式图3.5局部模型的网格及加载示意图 Fig.3.5MeshesandloadsofPartmodel3.2.2局部模型接触应力与齿根应力分析(l)接触应力接触应力分布如图3.6所示，，可以看出，两个轮齿沿接触线的接触应力大部分地方都比较平滑，只是在起点或终点处出现很大变化，第一齿接触应力平均约为978MPa，第二齿约为1005MPa，通过Hertz公式得到的接触应力为1046MPa，相差约为5.2%，故认为结果是可以接受的。两个轮齿上的最大接触应力值分别位于齿顶部位和与齿顶接触的齿根部位，最大值约为接触线上接触应力平均值的2一3倍。这是由于齿顶对与其接触的齿面产生了剪切作用
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH132.41

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