CN111400944B - 一种基于动态坐标系的斜齿轮螺旋式电流加载方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于动态坐标系的斜齿轮螺旋式加载方法，通过建立仿形线圈坐标系组对仿形线圈上所加载电流载荷的方向进行控制。在仿形线圈坐标系组的自动变换过程中，实现了斜齿轮相对于仿形线圈的螺旋式运动过程的模拟。本发明相较于电压加载方式更加准确，省时省力。同时，整个仿真过程自动化运行，操作简单，方便工厂技术人员掌握和使用。

Description

一种基于动态坐标系的斜齿轮螺旋式电流加载方法
技术领域
本发明属于有限元仿真技术领域，具体涉及一种基于动态坐标系的斜齿轮螺旋式电流加载方法。
背景技术
齿轮传动方式是当前机械传动领域应用较为广泛的传动方式之一，而斜齿轮以其传动效率高、传动平稳以及承载力强等特点，被广泛应用于汽车工业、航空航天和船舶工业等领域。以重型车辆变速箱斜齿轮为例，由于重载和恶劣的道路条件，作为重要受力单元的变速箱将受到频繁的撞击，齿轮极易出现齿面磨损、齿根弯曲疲劳断裂等失效形式。在这种情况下，重型车辆变速箱斜齿轮需要具备较高的表面硬度、耐磨性以及承载能力等性能，这就对热处理提出了更严格的要求。感应淬火作为一种先进的热处理方法，以其节能环保、生产效率高、易于实现机械自动化等优点，在热处理领域已经得到越来越广泛地应用。
在齿轮的感应淬火中，根据不同传动系统中齿轮不一样的特点，需要采取不同的加热方式。仿形线圈产生的磁场能和斜齿轮齿面保持垂直，易得到沿齿廓均匀分布的淬硬层。现有的模拟仿真技术中，对复杂形状的线圈施加载荷时，通常采用在阳极的面上加载正电压，在阴极面上加载零电压的电压加载方式。实际操作中相邻面相互干涉且难以选取，导致加载过程费时费力。因此亟需一种基于动态坐标系的电流加载方法。
发明内容
根据上述提出的现有仿真技术中对复杂形状的线圈施加载荷时，相邻面相互干涉且难以选取的技术问题，而提供一种基于动态坐标系的斜齿轮螺旋式电流加载方法，通过建立仿形线圈坐标系组对仿形线圈上所加载电流载荷的方向进行控制，且仿形线圈坐标系组的变换过程可自动进行，实现了斜齿轮相对于仿形线圈的螺旋式运动过程的模拟。。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于动态坐标系的斜齿轮螺旋式电流加载方法，包括：
步骤1、确定仿形线圈的第i加热位置，其中i≥1，收集模拟过程特征参数，所述特征参数括斜齿轮的分度圆半径r、螺旋角β、齿数z、仿形线圈始末位置的间距D以及步进距离S；
步骤2、将仿形线圈的其中一个齿按齿廓形貌特征划分成n部分，确定每部分与y轴正方向的初始夹角，分别为TH1，TH2……THn，依次将初始坐标系旋转相应角度，得到n个y轴正方向与各部分方向平行的局部坐标系，将所述n个局部坐标系顺时针旋转360/z度，重复上述局部坐标系建立步骤次数大于z-1时，即得到初始加热位置仿形线圈局部坐标系组；
步骤3、设置材料物性参数和单元类型，并进行网格划分，按照体号由大到小的顺序，选择编号为k的体上的所有单元，并在所选体k上施加与相应的局部坐标系的y轴正方向同向的电流载荷Q，当k>nz时，初始加热位置仿形线圈所有部分电流载荷施加完成；
步骤4、初始加热位置求解完成后，令i＝i+1，i表示的是当前加热位置，仿形线圈移动到下一加热位置，对仿形线圈坐标系组进行旋转调整；
步骤5、重复步骤3到步骤4，直至i>D/S时，即完成对所有加热位置的求解，实现仿形线圈步进移动与旋转相结合的螺旋式行进轨迹的仿真模拟。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明建立的仿形线圈坐标系组对仿形线圈上所加载电流载荷的方向进行控制，且仿形线圈坐标系组的变换过程可自动进行，相较于电压加载方式更加准确，省时省力。
2、本发明仿真过程自动化运行，操作简单，方便工厂技术人员掌握和使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明感应加热过程有限元模拟流程图。
图2是本发明有限元模型网格划分示意图。
图3a为实施例中第一阶段感应加热温度分布模拟图。
图3b为实施例中第二阶段感应加热温度分布模拟图。
图3c为实施例中第三阶段感应加热温度分布模拟图。
图3d为实施例中第四阶段感应加热温度分布模拟图。
图4为实施例中轮齿划分方式示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1-3所示，本发明提供了一种基于动态坐标系的斜齿轮螺旋式加载方法，该方法具体内容主要包括如下步骤：
步骤1、确定仿形线圈的第i加热位置，其中i≥1，收集模拟过程特征参数，所述特征参数括斜齿轮的分度圆半径r、螺旋角β、齿数z、仿形线圈始末位置的间距D以及步进距离S；
步骤2、将仿形线圈的其中一个齿沿齿廓形貌特征划分成n部分，确定每部分与y轴正方向的初始夹角，分别为TH1，TH2……THn，依次将初始坐标系旋转相应角度，得到n个y轴正方向与各部分方向平行的局部坐标系，将所述n个局部坐标系顺时针旋转360/z度，重复上述局部坐标系建立步骤次数大于z-1时，即得到初始加热位置仿形线圈局部坐标系组；本实施例中，沿齿廓形貌特征划分成5部分，即为从齿根出发，以齿根和齿廓的交际处，齿顶的两个顶角，这四个拐点，将一个齿划分成5份，如图4所示。
步骤3、设置材料物性参数和单元类型，并进行网格划分，按照体号由大到小的顺序，选择编号为k的体上的所有单元，并在所选体k上施加与相应的局部坐标系的y轴正方向同向的电流载荷Q，当k>nz时，初始加热位置仿形线圈所有部分电流载荷施加完成；
步骤4、初始加热位置求解完成后，令i＝i+1，i表示的是当前加热位置，仿形线圈移动到下一加热位置，对仿形线圈坐标系组进行旋转调整，包括以旋转角度TH旋转仿形线圈坐标系组，其中旋转角度TH根据以下计算得到：
TH＝S×tanβ×180°/(π×r)。
步骤5、重复步骤3到步骤4，直至i>D/S时，即完成对所有加热位置的求解，实现仿形线圈步进移动与旋转相结合的螺旋式行进轨迹的仿真模拟。
下面通过具体实施例对本发明的方案做进一步说明。
1、收集模拟过程中所需的特征参数，包括斜齿轮的分度圆半径r＝76mm、螺旋角β＝10°、齿数z＝12、仿形线圈始末位置的间距D＝40mm、步进距离S＝5mm；
2、将仿形线圈的其中一个齿划分成3部分，确定每部分与y轴正方向的初始夹角TH1，TH2，TH3，并建立相应局部坐标系；令该齿每部分的局部坐标系顺时针旋转角度30°，如此重复m次，直至m>11时，便可得到初始加热位置仿形线圈坐标系组；
3、设置材料物性参数和单元类型，划分网格，施加电流载荷，具体步骤如下：
3.1为斜齿轮、仿形线圈、空气分别赋予相应材料属性，电磁分析时单元类型为SOLID236，热分析时单元类型为SOLID90；
3.2如图2所示是本发明有限元模型网格划分示意图，由于涡流的集肤效应，仿形线圈激励出来的涡流主要集中在集肤层内，因此在对斜齿轮进行网格划分时，靠近仿形线圈的斜齿轮表层网格划分较密集，远离仿形线圈的斜齿轮心部网格划分较稀疏，以适应涡流和温度在这部分区域的分布规律划分网格；
3.3选择编号为k的体上的所有单元，在所选体k上施加与y轴正方向同向的电流载荷3e8；
3.4当k>36时，初始加热位置仿形线圈所有部分电流载荷施加完成；
4、初始加热位置求解完成后，令i＝i+1，仿形线圈移动到下一加热位置，仿形线圈坐标系组旋转角度0.66°；
5、重复步骤3和步骤4，直至i>8时，即完成对所有加热位置的求解，实现仿形线圈步进移动与旋转相结合的螺旋式行进轨迹的仿真模拟。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种基于动态坐标系的斜齿轮螺旋式电流加载方法，其特征在于，包括：
步骤1、确定仿形线圈的第i加热位置，其中i≥1，收集模拟过程特征参数，所述特征参数括斜齿轮的分度圆半径r、螺旋角β、齿数z、仿形线圈始末位置的间距D以及步进距离S；
步骤2、将仿形线圈的其中一个齿按齿廓形貌特征划分成n部分，确定每部分与y轴正方向的初始夹角，分别为TH1，TH2……THn，依次将初始坐标系旋转相应角度，得到n个y轴正方向与各部分方向平行的局部坐标系，将n个局部坐标系顺时针旋转360/z度，重复上述局部坐标系建立步骤次数大于z-1时，即得到初始加热位置仿形线圈局部坐标系组；
步骤3、设置材料物性参数和单元类型，并进行网格划分，按照体号由大到小的顺序，选择编号为k的体上的所有单元，并在所选体k上施加与相应的局部坐标系的y轴正方向同向的电流载荷Q，当k>nz时，初始加热位置仿形线圈所有部分电流载荷施加完成；
步骤4、初始加热位置求解完成后，令i＝i+1，i表示的是当前加热位置，仿形线圈移动到下一加热位置，对仿形线圈坐标系组进行旋转调整；
步骤5、重复步骤3到步骤4，直至i>D/S时，即完成对所有加热位置的求解，实现仿形线圈步进移动与旋转相结合的螺旋式行进轨迹的仿真模拟。
2.根据权利要求1所述的基于动态坐标系的斜齿轮螺旋式电流加载方法，其特征在于：所述步骤4中对仿形线圈坐标系组进行旋转调整，包括以旋转角度TH旋转仿形线圈坐标系组，其中旋转角度TH根据以下计算得到：
TH＝S×tanβ×180°/(π×r)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108959793A (zh) * 2018-07-13 2018-12-07 燕山大学 一种伞齿轮双频分段循环感应加热数值模拟方法

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线圈结构对重载链轮感应加热过程的作用;韩毅等;《钢铁》;20190915;全文 *

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