弹性碰撞理论在齿轮线外啮合冲击力及冲击动应力计算中的应用研究

发布时间：2020-09-08 11:50

　　由于轮齿的受载变形和加工误差，在轮齿啮合起始位置，齿轮在理论啮合线外发生啮合，产生啮入与啮出冲击，也称为线外啮合冲击，研究表明线外啮合冲击是导致齿轮传动振动、噪声和点蚀破坏的主要原因之一。本文以直齿圆柱齿轮的轮齿为对象，利用弹性碰撞理论基于显式动力学软件ANSYS／LS-DYNA对齿轮线外啮合冲击问题进行了仿真计算，其主要包括啮合冲击力和冲击动应力两方面。在啮合冲击力方面，给出了齿轮啮合冲击碰撞数学模型及数值解求解步骤与方法，进行了实例计算，利用ANSYS／LS-DYNA对齿轮啮入冲击过程进行了数值仿真，首次利用有限元软件得出了准确的冲击力数值解，与理论解析解对比，结果基本吻合。并且得出了较精确的冲击时间、冲击速度与啮合冲击力以及齿宽与啮合冲击力的数量关系。在冲击动应力方面，首次将波动理论应用到啮合冲击动应力的研究中，利用ANSYS／LS-DYNA软件可以很清楚的看到应力波在齿轮中的传播图像，通过分析冲击速度对线外啮合冲击动应力的影响，发现在较低的转速下，利用波动理论计算的动应力比较小，不会引起齿轮的破坏，可以不予考虑，但是用此种方法计算的应力值时随着转速的增大而增大的；而在较高转速下，利用波动理论计算的动应力会很大，甚至远远超过极限应力，而在经验公式中对角速度的变化反映不敏感，这表明在高速转动下按常规设计方法设计齿轮是不可靠的。本文的研究表明弹性碰撞理论在齿轮线外啮合冲击问题的研究中能够得到很好的应用，文章为齿轮啮合冲击的研究提供了一种新方法与途径。
【学位单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2007
【中图分类】：TH132.41
【部分图文】：

弹性杆,实体模型,有限元模型,实例

弹性杆的撞击是接触问题中的经典实例，历史上很多学者对此进行过研究，并得到了解析解〔56]。有限元技术出现后:这个实例又经常被用于验证某一个软件的精度与效率。两弹性杆的撞击，如下图1.4，具体的实例操作见4.3节。最后获得了应力波在两杆传播的清晰图像，并且将获得的接触面中心节点的速度与位移曲线、接触力随时间的变化曲线等结算结果，与理论解析解进行对比，基本保持一致。

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图1.4两个弹性杆撞击的实体模型与有限元模型图鸟撞飞机风挡试验是飞机风挡实验中不可缺少的重要环节。鸟撞飞机风挡，如图1.5所示，是一个非常复杂并且具有代表性的实例，在该实例中，包含了材料非线性、结构非线性与接触状态非线性三种非线性问题，包括了两种最经常使用的有限元网格类型:体单元与壳单元，包含了速度初始条件与位移边界条件，同时还包含了网格的破碎模拟，如图1.6所示。缪夕 YNAuse二Input 1.n，e二ULS刃Yl映user伍np以刀m.二 0.00149，5协图1.5鸟撞飞机风挡模型奋图1.6撞击过程中网格破碎模拟通过上述两个例子的介绍，可知基于弹性碰撞理论的LS一DYNA3D软件在处理接触冲击、应力波传播问题方面是非常有效地并且具有较高精度的。对于相比鸟撞飞机风挡问题较为简单的齿轮啮合冲击问题

网格图,网格,飞机风挡,冲击问题

料非线性、结构非线性与接触状态非线性三种非线性问题，包括了两种最经常使用的有限元网格类型:体单元与壳单元，包含了速度初始条件与位移边界条件，同时还包含了网格的破碎模拟，如图1.6所示。缪夕 YNAuse二Input 1.n，e二ULS刃Yl映user伍np以刀m.二 0.00149，5协图1.5鸟撞飞机风挡模型奋图1.6撞击过程中网格破碎模拟通过上述两个例子的介绍，可知基于弹性碰撞理论的LS一DYNA3D软件在处理接触冲击、应力波传播问题方面是非常有效地并且具有较高精度的。对于相比鸟撞飞机风挡问题较为简单的齿轮啮合冲击问题，LS一DYNA3D肯定能很好地进行求解计算。目前为止，国内外很少有利用LS一DYNA3D研究齿轮啮合冲击问题的文章出现。 .4.5^NSYS/LS一OYN^的工作流程虽然Ls一DYNA3D具有强大的计算功能，但其前处理功能相对较差〔52j。1997

【引证文献】