CN105302991A - 一种渐开线圆柱斜齿轮机构参数化分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种渐开线圆柱斜齿轮机构参数化分析方法，涉及齿轮传动设计分析技术领域，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、提取参数：综合分析影响渐开线圆柱斜齿轮机构工作的各项参数，进行整合分类，按类别提取齿轮几何参数、材料特性参数、载荷特性和有限元模型参数，并将上述参数按照表格形式进行编制；步骤二、在UG软件中建立参数化的齿轮三维模型：步骤三、在ANSYS软件中进行前处理；步骤四、在ANSYS软件中进行求解计算：进入求解模块，指定分析类型为静力学分析，设置总求解时间为1，求解步为100，求解器为PCG，求解完成后退出求解模块；步骤五、分析计算结果，判断是否需要修改参数后进行新的分析计算。

Description

一种渐开线圆柱斜齿轮机构参数化分析方法

技术领域

本发明涉及齿轮传动设计分析技术领域，特别是涉及一种渐开线圆柱斜齿轮机构参数化分析方法。

背景技术

渐开线圆柱斜齿轮传动是机械传动中最为常见的形式之一，可以传递两平行轴间的运动和动力，具有啮合性好、传动平稳、重合度大和传递扭矩大等优点。渐开线圆柱斜齿轮设计的主要内容之一为力学强度校核计算，传统的校核计算仅能宏观掌握齿轮的安全系数，难以把握轮齿应力分布特点和变化规律，并且校核工作量极大，经常重复性的工作，费时费力，对人力成本造成极大的浪费。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种渐开线圆柱斜齿轮机构参数化分析方法；该方法具有效率高、可靠性好的特点。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种渐开线圆柱斜齿轮机构参数化分析方法，首先综合分析提取影响齿轮工作的各项基本参数，分别在UG软件和ANSYS软件中定义与齿轮各项基本参数相对应的参数表达式，并在UG中建立参数化的齿轮三维模型；接着将UG中建立的齿轮三维模型导入ANSYS软件中进行前处理和求解计算，并输出应力应变等相关的计算结果；分析计算结果是否满足设计要求，如果满足设计要求则本次设计完成，如果不满足设计要求，可以修改齿轮基本参数值重新进行建模分析计算，直到满足设计要求为止，具体包括如下步骤：

步骤一、提取参数：综合分析影响渐开线圆柱斜齿轮机构工作的各项参数，进行整合分类，按类别提取齿轮几何参数、材料特性参数、载荷特性参数和有限元模型参数，并将上述参数按照表格形式进行编制；

步骤二、在UG软件中建立参数化的齿轮三维模型：

在UG软件中创建参数表达式，该参数表达式与步骤1中提取的参数一一对应，运用GC工具箱在创建齿轮选项中指定齿轮类型、模数、齿数、齿宽、变位系数和压力角等几何参数，完成主动轮和从动轮的创建；在齿轮啮合选项中指定主动轮和从动轮完成齿轮的装配；分别在主动轮和从动轮上加入孔和键槽特征，完成渐开线圆柱斜齿轮三维模型的建立；

步骤三、在ANSYS软件中进行前处理：

在ANSYS中运用APDL语言编写参数化程序，完成三维模型的导入、指定单元类型、材料属性、划分网格、施加载荷、设定位移约束和设置接触前处理任务，具体步骤如下：

1)将步骤二中建立好的三维模型导入到ANSYS软件中；

2)选择单元类型为20节点的六面体单元Solid186，分别为主动轮和从动轮指定相应的杨氏模量、泊松比和密度，将单元大小设置为1，采用扫略形式将模型划分为六面体网格模型；

3)在主动轮中心孔圆心处创建11号局部柱坐标系，选择属于主动轮中心孔面上的所有节点，将选中的节点坐标系修改为11号局部柱坐标系，同时给选中的所有的节点指定FY向的固定力，完成主动轮转矩的施加；

4)在从动轮中心孔圆心处创建12号局部柱坐标系，选择属于从动轮中心孔面上的所有节点，将选中的节点坐标系修改为12号局部柱坐标系，同时约束所选节点X、Y和Z三个移动，完成从动轮位置约束的施加；

5)指定摩擦系数、接触间隙和法向接触刚度，选择主动轮上参与啮合的表面作为接触面，从动轮上参与啮合的表面作为目标面，目标单元为TARGE170，接触单元为CONTA174,完成接触设置，前处理完成；

步骤四、在ANSYS软件中进行求解计算：

进入求解模块，指定分析类型为静力学分析，设置总求解时间为1，求解步为100，求解器为PCG，求解完成后退出求解模块；

步骤五、分析计算结果，判断是否需要修改参数后进行新的分析计算：

求解结束后进入后处理模块，查看应力、应变和变形计算结果，判断斜齿轮机构是否满足设计要求，若果满足设计要求，则设计完成；如果不满足设计要求，可修改齿轮基本参数值进行重新设计分析，直到满足设计要求为止。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明与现有技术相比，改进了渐开线圆柱斜齿轮机构分析方法，比起传统的分析方法大大缩短了设计时间，减少了设计费用。应用UG与ANSYS软件联合分析计算，编制参数化的分析程序，可以简单地修改其中的参数，达到反复分析各种尺寸、不同载荷大小的多种摆线轮设计方案力学性能，并能准确的把握轮齿应力分布情况和变化规律，在保证计算精度的同时，极大地减轻了设计人员的工作量，提高分析效率，减少分析成本。

附图说明：

图1为本发明优选实施例的流程图；

图2为本发明优选实施例中斜齿轮机构三维模型图

图3为本发明优选实施例中斜齿轮机构有限元模型图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1至图3、一种渐开线圆柱斜齿轮机构参数化分析方法，本发明所应用的三维软件为UGnx10.0，有限元分析软件为ANSYS15.0，详细步骤如下：

1、提取基本参数：综合分析影响渐开线圆柱斜齿轮机构工作的各项参数，进行整合分类，按类别提取斜齿轮几何参数、材料特性参数、载荷特性参数和有限元模型参数，编制如下表格1-5。

表1主动齿轮几何参数

表2从动针齿几何参数

表3齿轮机构材料特性参数

表4载荷特性参数

表5有限元模型参数

2、在UG软件中建立参数化的渐开线斜齿轮机构三维模型：

运用UG软件中的GC工具箱，进入柱齿轮建模模块，在齿轮操作方式中选择创建齿轮选项，指定齿形为斜齿轮，啮合形式为外啮合齿轮，加工方式为滚齿，同时指定模数、齿数、齿宽和压力角等基本几何参数，分别创建两个不同旋向的齿轮；重新进入柱齿轮建模模块，在齿轮操作方式中选择齿轮啮合选项，指定小齿轮为主动轮，大齿轮为从动轮，完成齿轮装配；分别在两个齿轮上打通孔，完成渐开线斜齿轮三维模型的建立，如图2所示。

3、在ANSYS软件中进行前处理：

1)将步骤2中建立好的三维模型导入到ANSYS软件中；

2)选择单元类型为20节点的六面体单元Solid186，分别为主动轮和从动轮指定相应的杨氏模量、泊松比和密度等材料属性，将单元大小设置为1，采用扫略形式将模型划分为六面体网格模型；

3)在主动轮中心孔圆心处创建11号局部柱坐标系，选择属于主动轮中心孔面上的所有节点，将选中的节点坐标系修改为11号局部柱坐标系，同时给选中的所有的节点指定FY向的固定力，完成主动轮转矩的施加；

4)在从动轮中心孔圆心处创建12号局部柱坐标系，选择属于从动轮中心孔面上的所有节点，将选中的节点坐标系修改为12号局部柱坐标系，同时约束所选节点X、Y和Z三个移动，完成从动轮位置约束的施加；

5)指定摩擦系数、接触间隙和法向接触刚度，选择主动轮上参与啮合的表面作为接触面，从动轮上参与啮合的表面作为目标面，目标单元为TARGE170，接触单元为CONTA174,完成接触设置，有限元模型如图3所示。

4、在ANSYS软件中进行求解计算：

进入求解模块，指定分析类型为静力学分析，设置总求解时间为1，求解步为100，求解器为PCG，求解完成后退出求解模块。

5、分析计算结果，判断是否需要修改参数后进行新的分析计算：

求解结束后进入后处理模块，查看应力、应变和变形等多种计算结果，判断斜齿轮机构是否满足设计要求，若果满足设计要求，则设计完成；如果不满足设计要求，可修改齿轮基本参数值进行重新设计分析，直到满足设计要求为止。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (1)

1.一种渐开线圆柱斜齿轮机构参数化分析方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、提取参数：综合分析影响渐开线圆柱斜齿轮机构工作的各项参数，进行整合分类，按类别提取齿轮几何参数、材料特性参数、载荷特性参数和有限元模型参数，并将上述参数按照表格形式进行编制；

步骤二、在UG软件中建立参数化的齿轮三维模型：

在UG软件中创建参数表达式，该参数表达式与步骤1中提取的参数一一对应，运用GC工具箱在创建齿轮选项中指定齿轮类型、模数、齿数、齿宽、变位系数和压力角等几何参数，完成主动轮和从动轮的创建；在齿轮啮合选项中指定主动轮和从动轮完成齿轮的装配；分别在主动轮和从动轮上加入孔和键槽特征，完成渐开线圆柱斜齿轮三维模型的建立；

步骤三、在ANSYS软件中进行前处理：

在ANSYS中运用APDL语言编写参数化程序，完成三维模型的导入、指定单元类型、材料属性、划分网格、施加载荷、设定位移约束和设置接触前处理任务，具体步骤如下：

1)将步骤二中建立好的三维模型导入到ANSYS软件中；

2)选择单元类型为20节点的六面体单元Solid186，分别为主动轮和从动轮指定相应的杨氏模量、泊松比和密度，将单元大小设置为1，采用扫略形式将模型划分为六面体网格模型；

3)在主动轮中心孔圆心处创建11号局部柱坐标系，选择属于主动轮中心孔面上的所有节点，将选中的节点坐标系修改为11号局部柱坐标系，同时给选中的所有的节点指定FY向的固定力，完成主动轮转矩的施加；

4)在从动轮中心孔圆心处创建12号局部柱坐标系，选择属于从动轮中心孔面上的所有节点，将选中的节点坐标系修改为12号局部柱坐标系，同时约束所选节点X、Y和Z三个移动，完成从动轮位置约束的施加；

5)指定摩擦系数、接触间隙和法向接触刚度，选择主动轮上参与啮合的表面作为接触面，从动轮上参与啮合的表面作为目标面，目标单元为TARGE170，接触单元为CONTA174,完成接触设置，前处理完成；

步骤四、在ANSYS软件中进行求解计算：

进入求解模块，指定分析类型为静力学分析，设置总求解时间为1，求解步为100，求解器为PCG，求解完成后退出求解模块；

步骤五、分析计算结果，判断是否需要修改参数后进行新的分析计算：

求解结束后进入后处理模块，查看应力、应变和变形计算结果，判断斜齿轮机构是否满足设计要求，若果满足设计要求，则设计完成；如果不满足设计要求，可修改齿轮基本参数值进行重新设计分析，直到满足设计要求为止。