《汽车齿轮动态响应的有限元分析》读书报告
本文主要描述了采用有限元分析软件ANSYS[ 1 ] ,建立起齿轮的二维模型和三维模型,分别研究在静载荷和冲击载荷作用下齿轮齿根应力状态,得出了齿轮承受最大静载荷值、齿轮受冲击载荷作用时冲击载荷持续的时间和冲击载荷的大小对齿轮强度的影响等重要结论,为改进齿轮设计提供了一种方法和依据。
首先进行齿轮的二维有限元研究，在建立力学模型时取整个齿轮作为计算模型,首先采用平面应力的方法,研究了齿轮强度范围内静载荷能达到的极限值及在此载荷作用下齿轮的强度;再者研究了冲击载荷的作用时间和大小对齿轮强度的影响;最后将冲击载荷和静载荷对齿轮的影响做一对比。
先是在静载荷作用下将齿轮中心固定，载荷分别作用在单齿啮合的最高点和齿顶,采用ANSYS软件单元库中的平面四边形单元Plane45 ,共划分了3 534 个单元,4 108 个节点。由此分别得到齿根受拉侧的最大应力σmax = 346MPa和σmax1 = 255 MPa由此可见,将载荷作用在单齿啮合的最高点时,对齿轮的影响显然比作用在齿顶时要大。 接着进行了冲击载荷作用下齿轮的二维有限元研究。分别研究了几种情况:冲击载荷作用时间长短的影响和载荷值大小的影响。下图1为冲击载荷随时间的变化曲线。首先研究冲击载荷值的大小相同、作用时间不同时,对齿轮强度的影响,即图1中的曲线1 和曲线2 的比较,结果为冲击载荷作用时间越短,应力值越大;再者研究冲击载荷值和时间均不同时,即图1中曲线2 和曲线3 的比较,作用时间长而载荷值大的齿根应力,比作用时间短而载荷值小的齿根应力要大。
图1 冲击载荷随时间的变化曲线
图2二维齿轮齿根处最大Von Misses 应力
最后是进行冲击载荷作用下三维齿轮研究。冲击载荷随时间的变化曲线与二维齿轮的冲击载荷一致,如图1。图3是在以上冲击载荷作用下齿根处的Misses 应力变化曲线。将图2和图3对比后,齿轮同样是受冲击载荷作用,三维齿轮模型齿根处的Misses 应力比二维的要大。
图3 三维齿轮齿根处最大Von Mises 应力
文中省略了冲击载荷作用下齿轮的二维有限元研究及冲击载荷作用下三维齿轮研究时对力学模型的建立及有限元模型的描述。
最后文章给出了对结果的讨论：
(1) 将相同的静载荷作用在齿顶时,采用二维模型和三维模型计算时,齿根受拉侧的最大Misses 应力几乎相同,而将载荷作用到单齿啮合的最高点时,二维模型的最大应力要比三维模型大。如果按二维模型去设计,势必有些保守;由于三维模型更符合工程实际,按三维模型的计算结果去设计齿轮,应该是准确的。
(2) 冲击载荷作用下,三维模型计算的结果比二维的要大,冲击载荷作用的时间越短,对轮齿根部强度的影响越大,在齿轮高速运行时,应避免产生短脉冲是非常重要的,设计时采用三维齿轮的计算结果将更为合理。
图4 三维齿轮齿根处最大Von Misses 应力
参考文献
[ 1 ] Structure analysis guide[ R] . Release 5. 4 ANSYS, Inc. is a UL regis2tered ISO 9001, 1994.
[ 2 ] 陈玲,等.“铁牛60”半轴齿轮应力与变形的有限元分析[J ] . 机械设计,2000 ,17 (4) :38 - 39.
[3 ] 徐步青,等. 冲击载荷下齿轮动态响应的有限元和光弹性实验
[D]. 天津: 天津大学, 2000.2003 年6 月陈玲等: 汽车齿轮动态响应的有限元分析49
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