CN101393581A - 渐开线圆柱齿轮高精度多齿对啮合接触仿真解析方法 - Google Patents

渐开线圆柱齿轮高精度多齿对啮合接触仿真解析方法 Download PDF

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汪中厚
周晓玲
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Abstract

本发明涉及一种渐开线圆柱齿轮高精度多齿对啮合接触仿真解析方法，基于三维设计软件Pro/E对齿轮进行三维几何建模，并完成装配，形成数字样机；利用Pro/E的分析子模块Pro/MECHANICA软件，实现无缝连接；在子模块Pro/MECHANICA，定义约束，载荷与接触区域，并导入Pro/MECHANICA的独立模式，在该模式中，对接触可能的轮齿区域，用手工进行单元细划分，使单元形状接近正六面体。本发明的有益效果是，可以快速高精度地仿真解析圆柱齿轮任一瞬时，同时多齿对啮合情况下的轮齿与轮体的变形与应力分布情况，特别是我们在设计齿轮时所需要的高精度的齿面压力分布、齿面接触应力分布与齿根弯曲应力分布。

Description

渐开线圆柱齿轮高精度多齿对啮合接触仿真解析方法
技术领域
本发明涉及一种用于渐开线圆柱直齿轮与斜齿轮对的接触分析方法
背景技术
渐开线圆柱齿轮(包括直齿轮与斜齿轮，以下简称齿轮)广泛应用在汽车、减速器等工业行业中。由于齿轮形状复杂，到目前为止，多齿同时接触时候的轮齿变形、齿面接触线载荷、齿根弯曲应力与齿面接触应力一般用近似公式进行简化计算，精度当然不高，不满足现代工业的发展需求。Pro/E软件是最先进的软件之一，与其子模块解析软件Pro/MECHANICA能实施无缝连接。而Pro/MECHANICA采用了p法，即位移函数采用多项式函数(最高到9次)，在计算时，能自动提高位移多项式的次数来提高解析精度，具有非常优越的自收敛的功能。因此，利用Pro/E与Pro/MECHANICA对渐开线圆柱齿轮的多齿对接触问题进行精确仿真，对齿轮的弯曲与接触强度，振动分析，疲劳强度以及磨损分析等有着非常重要的意义。
发明内容
本发明是要解决渐开线圆柱直或斜齿轮任意瞬时多齿对同时接触时的轮齿变形、齿面线载荷、齿面接触应力及齿根弯曲应力的精确数据分折的技术问题，从而得到一个性能优化的齿轮参数，而提供一种渐开线圆柱齿轮高精度多齿对啮合接触仿真解析方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种渐开线圆柱齿轮高精度多齿对啮合接触仿真解析方法，包括以下具体步骤：
1.大小齿轮的三维几何建模和装配
利用Pro/E软件，建立大小直齿轮或斜齿轮的三维几何模型，并进行装配，并调整大小齿轮的任意接触位置；
2.建立物理模型及力学模型
在Pro/MECHANICA集成子模块或者独立子模块中，完成材料特性参数，约束，接触区域与载荷的定义；
3.网格划分：在Pro/MECHANICA独立模块中，进行有限元网格划分；
4.仿真计算：在Pro/MECHANICA独立模块中，进行有限元计算处理；
5.计算的执行与结果分析
根据计算结果对齿轮对进行合理的评价，如果应力结果不符合设计预期，更改齿轮参数，在Pro/E软件中对齿轮几何模型或接触位置进行修改，继续重复以上步骤计算直到达到优化结果。
上述步骤二中，在设定接触的齿面对时，可以定义摩擦系数；材料特性定义：材料是各项同性，可以是线弹性或超弹性的；
上述步骤三中，对齿轮进行网格划分时，在Pro/MECHANICA独立模块中，对两个轮齿的要发生接触的区域，以及接触轮齿的齿根部进行足够的细划分；对两个轮齿的要发生接触的区域，以及接触轮齿的齿根部用六面体进行足够的细划分；为了节省计算速度，对在预定接触区域内的小区域快中，把单元划分为接近正六面体单元，以提高精度；而把小区域外部粗划分成四面体，以确保计算速度。
本发明的有益效果是，利用Pro/E与Pro/MECHANICA对渐开线圆柱齿轮的多齿对接触问题进行精确仿真，解决了渐开线圆柱直或斜齿轮任意瞬时多齿对同时接触时的轮齿变形、齿面线载荷、齿面接触应力及齿根弯曲应力的精确数据分折的技术问题，可以快速高精度地仿真解析圆柱齿轮任一瞬时，同时多齿对啮合情况下的轮齿与轮体的变形与应力分布情况，特别是我们在设计齿轮时所需要的高精度的齿面压力分布、齿面接触应力分布与齿根弯曲应力分布。这些参数对齿轮的弯曲与接触强度，振动分析，疲劳强度以及磨损分析有着重要的直接帮助。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是齿轮装配后的示意图；
图3是预期接触领域附近制作小区域块示意图；
图4是接触区域附近的网格划分示意图；
图5是分层区域内部的六面体网格划分示意图；
图6是两对齿接触分析结果图；
图7是接触应力分布局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的渐开线圆柱齿轮高精度多齿对啮合接触仿真解析方法是：
(1)利用Pro/E软件(版本不限)，建立大小齿轮的三维几何模型，并进行装配。图2是齿轮啮合时装配图的一个例子。齿轮取局部是考虑到节约计算速度而把不参加啮合的轮齿给省略了。当然，整体齿轮的接触分析是同样的步骤。接触位置可由两轮的装配角度位置来定。本发明中，在任意角度，同时任意对轮齿接触都可以。
(2)在Pro/MECHANICA的集成模块或独立模块，进行边界约束条件与材料、载荷设定：材料是各项同性，可以是线弹性或超弹性材料。按照实际情况，设定齿轮的边界约束条件与载荷条件。
(3)在Pro/MECHANICA集成模块中，进行体积区域分割与接触区域定义：
体积块分割：
接触区域附近划分若干层小块区域，图3所示为一个例子。目的是在独立模式中尽量把接触区域的单元划分为接近正六面体。这样，就可以大大提高齿轮接触区域的接触应力与线载荷分布的精度。同理，在齿轮的齿根部区域附近也需要若干层小块区域，并把单元细划分为近似正六面体，以提高弯曲应力的精度。
定义接触区域：
定义了可能接触的齿轮轮齿的接触区域。
在Pro/MECHANICA的独立模块中：
目的是细划分近似六面体单元。
如图4所示，是齿轮的整体单元划分示意图，目的是：在预定接触区域内细划分，在外部粗划分。以保证快速与高精度。
如图5所示，在预定接触区域内预先划分的若干层小块区域内(图中为3层区域)，在第一层中把单元划分为接近正六面体单元。
(4)解析的执行：确认上述设定完成后，执行计算。
结果的输出与确认：如图6及如图7所示为输出结果的一个例子，是接触应力分布图，由图可以看出，得出了精度非常高的接触应力分布。

Claims (3)

1.一种渐开线圆柱齿轮高精度多齿对啮合接触仿真解析方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)大小齿轮的三维几何建模和装配
利用Pro/E软件，建立大小直齿轮或斜齿轮的三维几何模型，并进行装配，并调整大小齿轮的任意接触位置；
(2)建立物理模型及力学模型
在Pro/MECHANICA集成子模块或者独立子模块中，完成材料特性参数，约束，接触区域与载荷的定义；
(3)网格划分：在Pro/MECHANICA独立模块中，进行有限元网格划分；
(4)仿真计算：在Pro/MECHANICA独立模块中，进行有限元计算处理；
(5)计算的执行与结果分析
根据计算结果对齿轮对进行合理的评价，如果应力结果不符合设计预期，更改齿轮参数，在Pro/E软件中对齿轮几何模型或接触位置进行修改，继续重复以上步骤计算直到达到优化结果。
2.根据权利要求1所述的渐开线圆柱齿轮高精度多齿对啮合接触仿真解析方法，其特征在于，上述步骤二中，在设定接触的齿面对时，可以定义摩擦系数；材料特性定义：材料是各项同性，可以是线弹性或超弹性的。
3.根据权利要求1所述的渐开线圆柱齿轮高精度多齿对啮合接触仿真解析方法，其特征在于，上述步骤三中，对齿轮进行网格划分时，在Pro/MECHANICA独立模块中，对两个轮齿的要发生接触的区域，以及接触轮齿的齿根部进行足够的细划分；为了节省计算速度，对在预定接触区域内的小区域快中，把单元划分为接近正六面体单元，以提高精度；而把小区域外部粗划分成四面体，以确保计算速度。
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