基于ANSYS的复合材料齿轮的有限元分析.pdf

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1、第 卷 第期 年月武汉大学学报（理学版）（），收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）作者简介：王翔，男，副教授，博士，现从事聚合物基复合材料、功能复合材料的研究 ：文章编号：（）基于 的复合材料齿轮的有限元分析王翔，黄威，李进（武汉理工大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 ）摘要：为了提高复合材料齿轮的承载能力，需对其进行设计和分析 通过 软件实现对直齿圆柱轮的参数化建模，并将三维模型导入到有限元软件 中，然后采用模压成型工艺，制备短切玻璃纤维增强的酚醛环氧复合材料板，以其力学性能作为设计参数，通过有限元软件对复合材料齿轮在一定载荷条件下的应力分布状态进行了分析研究结果表明，键槽与啮

2、合轮齿的相对位置会影响复合材料齿轮的应力分布状况，齿顶和齿根最大压缩应力与输入载荷呈线性关系，而齿根最大拉伸应力与输入载荷关系曲线中出现一段平台区 通过对 复合材料齿轮的静力学分析，为复合材料齿轮的改进设计提供一种实用的方法关键词：复合材料齿轮；团状模塑料（）；参数化建模；静力学分析中图分类号：；文献标识码：，（，）：，（），：；（）；引言齿轮传动是现代机械中最常见的一种传动机构，广泛应用于各种减速器、机床传动装置及车辆的变速箱等，在机械传动中占有重要的地位近年来，随着高分子材料的迅速发展，聚合物作为一种新型的齿轮材料已经得到了广泛的发展和应用，而以聚合物为基体的复合材料齿轮也相继出现与金属齿

3、轮相比，复合材料齿轮具有质轻、降噪、成本低、设计简单、自润滑、自修复、耐腐蚀，不需要二次加工等优点，生产效率高，便于大批量生产，可广泛应用在酸、碱以及湿热环境的各种化工设备中另外，复合材料的抗冲击强度和抗疲劳强度高，在交通运输和航空航天领域也有广泛的应用前景目前，国外应用最多的是采用注射成型工艺生产的短纤维增强热塑性聚合物的复合材料齿轮，主武汉大学学报（理学版）第 卷要应用在打印机和复印机等轻载条件领域 这种齿轮与金属齿轮相比，强度、模量较低，耐磨性能和耐热性能差，无法满足高载荷传动的需要，其应用范围受到很大的限制为了解决现有复合材料齿轮存在的问题，本文采用短切纤维增强酚醛环氧树脂制备复合材料

4、齿轮，以提高复合材料齿轮的耐热性和力学性能 通过对齿轮在一定载荷条件下的应力分布状态进行实例分析和研究，对复合材料齿轮进行改进设计，使复合材料齿轮满足高载荷传动条件下的使用要求为研究齿轮在啮合时的力学性能，确定其真实的应力及变形分布规律和动态力学性能，本文首先采用模压工艺制备了短纤维增强酚醛环氧复合材料，并测试其各项力学性能，再通过 软件建立的三维实体模型，导入 软件中，对齿轮进行有限元分析通过分析来优化复合材料齿轮的参数，以达到最佳设计效果实验部分 主要原料双酚型环氧树脂，工业级，牌号 ，环氧值 ，中国石化巴陵石化分公司；热固性酚醛树脂，工业品，氨酚醛，北京玻钢院复合材料有限公司；短切玻璃纤

5、维，无碱玻纤，杭州杭申市政配套设施有限公司；超细滑石粉，目，桂林桂广滑石开发有限公司 主要设备以及仪器捏合机，常州新区光磊传动件有限公司；液压机，武汉毅能锻压机械有限责任公司；电热恒温鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；电子精密天平，梅特勒托利多仪器有限公司；电子 万能材 料 实 验 机，深圳瑞格尔仪器有限公司 纤维增强复合材料的制备将一定量的酚醛树脂和环氧树脂混合均匀，并按比例加入定量的滑石粉（预先在烘箱中干燥），之后加入定量地短切玻璃纤维，并倒入捏合机中啮合 ，之后将其置于室温下晾后放入模具中进行压制 在模压料放入模具之前，要在模具上涂抹脱模蜡遍，保证其良好脱模 模压温度为 ，保温时间为

6、，成型压力 ，待其温度下降后，脱模，并制成试样，准备测试 短纤维增强复合材料性能测试复合材料板的拉伸强度和拉伸弹性模量按照 进 行 测 试；弯 曲 强 度 按 照 进行测试；压缩强度按照 进行测试 其组成配方和力学性能数据如表和表所示表短纤维增强复合材料的组成配方组分份数环氧树脂 酚醛树脂 滑石粉 短切玻璃纤维 表短纤维复合材料力学性能 短纤维增强复合材料齿轮的静力学分析 基于 的渐开线直齿圆柱齿轮的参数化建模本文利用 软件中的参数化建模功能，建立了标准的渐开线直齿圆柱齿轮，其齿轮三维模型和齿轮主要参数分别如表和图所示建模完成后将 中的三维齿轮模型通过二者之间的接口导入到 中进行有限元分析表复

7、合材料齿轮主要参数 （）注：模数；：齿数；：压力角；：圆角半径；：面宽；：键糟尺寸图 中齿轮三维模型 基于 的齿轮静力学有限元分析 是国际上先进的大型通用有限元分析软件之一，在大变形、非线性（几何、材料和边界等）、黏弹性、动态应力、接触问题以及多种不同材料复合问题等方面的分析计算有其独到之处，为这第期王翔 等：基于 的复合材料齿轮的有限元分析种类型的复合材料齿轮提供了丰富的力学模型和研究方法 不同的力学模型和研究方法的计算精度和适用范围都有所差异，因此选择合适的计算模型和研究方法是保证实验结果的准确度重要前提 单元类型和网格划分对于三维齿轮模型的单元类型的选择，有一系列的 研 究，其 中 最

8、为 常 用 的 单 元 类 型 为 和 ，为了保证有限元分析的精度，本文采用带中间节点的 节点面体单元 ，它对构件形状的适应性较好，计算精度较高 对于三维齿轮模型的网格划分，采用手动控制单元尺寸大小，设定单元尺寸为，并自由划分网格为了保证轮齿根部应力的精确度，对需要加载的轮齿齿根进行网格加密处理，划分的精度为级（图）图 中齿轮的三维有限元模型 约束条件和加载齿轮的静力学分析，对齿轮的内圈（包括键槽）实行全约束 齿轮键槽所传递的转矩，将其等效成作用于轮齿法向的压力，为方便加载，将分解到齿轮径向和周向分别加载，并将其平均到每个节点上，当径向和周向载荷施加在轮齿顶部时，轮齿所受的弯曲应力最大，齿轮容

9、易由于轮齿折断而失效，并且为提高齿轮的承载能力，齿轮在啮合传动过程中多以二齿啮合为主，故将载荷加载在相邻两轮齿齿顶处，由于之前很多学者 在对齿轮进行静力学分析时，未考虑键槽的影响，而键槽对齿轮传动是至关重要的，键槽与承载轮齿的相对位置会对整个齿轮的应力分布状况造成影响 本文取轮齿所传递的转矩，选取轮齿一个啮合周期中键槽与承载轮齿 个不同位置（）（图），分别对进行静力学有限元分析 分析结果与讨论 特定载荷下键槽与承载轮齿的相对位置对轮齿应力分布的影响在齿轮传递的转矩一定（）的情况图键槽与承载轮齿 个不同相对位置下，键槽与承载轮齿的相对位置对轮齿应力分布的影响如图和图所示 图所示为齿轮半个啮合周期

10、内出现的两种不同的 应力分布云图（其中，相类似，相类似，图中分别以和位置的应力分布为代表）由图可知，二者的最大应力均出现在轮齿顶部外侧，而齿根应力的分布却有较大差异，前者应力沿齿根均匀分布，而后者应力沿齿根分布中有局部的应力集中出现，并主要集中在齿根外侧图键槽与承载轮齿的相对位置不同所产生的两种 应力分布图由图可知：在齿轮啮合的半个周期内，轮齿齿顶的最大压缩应力随着承载齿轮与键槽相对距离的增大呈现先增大后减小再增大的趋势；齿根的最大拉伸应力则呈现先减小后增大再减小的趋势；而齿根压缩应力则呈现先增大再减小的趋势，并且三者应力的最大值并非出现在同一位置，轮齿顶部 最 大 压 缩 应 力为 （位 置

11、），齿根最大拉伸应力为 （位置武汉大学学报（理学版）第 卷图种应力最大值随键槽与相对位置的变化），最大压缩应力为 （位置）由于种应力最大值都超过了短纤维增强复合材料的许用应力值，因此，短纤维增强复合材料齿轮的失效形式为齿顶破坏和轮齿折断由以上的讨论可知，在利用有限元分析方法设计校核复合材料齿轮时要考虑键槽对齿轮啮合时整个周期内应力分布的影响，这样才能设计出强度满足条件的齿轮 不同载荷对特定位置应力分布的影响当键槽与承载轮齿的相对位置固定时（以位置为例），齿轮传递转矩对齿轮应力分布的影响都与图所示相类似由图可以看出，种应力的最大值，都与齿轮所传递的转矩近似呈简单的线性关系，而齿顶最大压缩应力随传

12、递转矩的变化较齿根最大拉伸和压缩应力大，齿根最大拉伸和压缩应力随输入转矩的变化基本相同图种应力的最大值与输承载轮齿输入的转矩的关系为了进一步比较输入转矩对齿轮上种应力最大值的影响，分别选取了齿轮啮合时的 个位置，做进一步比较，结果如图所示计算结果表明：不同的轮齿啮合位置，最大应力值与转矩不一定呈现简单的线性关系 对于齿根最大拉伸应力，当齿轮啮合位置为和时，齿根最大拉伸应力随转矩的增加先迅速增加然后趋于平缓，当转矩超过 时，最大拉伸应力又迅速增加，直至到转矩超过 时才趋于平缓；而当啮合位置为和时，齿根最大拉伸应力随转矩的增加先迅速增加，当转矩在 之间时，趋于平缓，随后当转矩超过 时，最大拉伸应力

13、又迅速上升，如图所示齿根最大压缩应力和齿顶最大压缩应力与转矩呈线性关系，不同的是，不同啮合位置应力最大值随转矩的变化率略有差异，如图和图所示图不同输入转矩对种不同啮合位置齿根最大拉伸应力的影响图不同输入转矩对种不同啮合位置齿根最大压缩应力的影响图不同输入转矩对种不同啮合位齿顶最大压缩应力的影响第期王翔 等：基于 的复合材料齿轮的有限元分析结论通过 与 的接口技术，对设计的具体短纤维增强齿轮在一定载荷作用下的应力状态进行了有限元仿真分析，分析结果表明：特定载荷下，在齿轮啮合的半个周期内，轮齿齿顶的最大应力随着承载齿轮与键槽相对距离的增大呈现先增大后减小再增大的趋势，齿根的最大拉伸应力则呈现先减小

14、后增大再减小的趋势，而齿根压缩应力则呈现先增大再减小的趋势，并且种应力的最大值并非出现在同一位置利用有限元分析方法设计校核复合材料齿轮时要考虑键槽对齿轮啮合时整个周期内应力分布的影响；在齿轮啮合的特定位置处，齿根最大拉伸应力和齿顶最大压缩应力随转矩变化都呈线性变化，但齿顶最大压缩应力随转矩增加较快，而最大拉伸应力与转矩不呈现简单的线性关系，最大应力值会出现一段平台，并且，其位置随齿轮啮合位置的变化而改变目前，国内有关于复合材料齿轮有限元分析的研究报道较少本文的研究结果对于渐开线直齿圆柱齿轮的参数化和系列化设计、对于复合材料齿轮模型库的开发、及时发现设计中的缺陷，优化设计和提高设计效率具有重要意

15、义参考文献：，（）：，（）：，：，（）：沈观林复合材料力学北京：清华大学出版社，：，（）郝瑞贤，李元宗对我国塑料齿轮发展的一些思考工程塑料应用，（）：，（）：（），（）：黄勇，陈晓峰，刘俊红热固性酚醛树脂固化环氧树脂反应动力学研究 四川理工学院学报（自然科学版），（）：，（），（）：（）黄家康聚酯模塑料生产与成型技术北京：化学工业出版社，：，（）王庆五，左昉，胡仁喜 机械设计高级应用实例北京：机械工业出版社，：，：，：（）张悦刊，钟佩思，杨俊茹对直齿圆柱齿轮 参数化设计及 有限元分析煤矿机械，（）：，（）：（）滕云楠 齿轮孔轴承外圈接触及齿根应力分析与寿命估算东北大学：机械工程与自动化学院，：

16、，：（）陈令国行星齿轮传动系统的建模与仿真研究辽宁工程技术大学：机械工程学院，：，：（）吕纯洁基于 的齿轮仿真分析焦作大学学报，：武汉大学学报（理学版）第 卷 ，：（）张乐乐 辅助分析应用基础教程北京：北方交通大学出版社，：，（）张毅，高创宽基于 的渐开线直齿圆柱齿轮有限元分析 机械工程与自动化，（）：，（）：（）陈清胜直齿圆柱齿轮模态的有限元法分析工程图学学报，：，：（）芮执元，张伟华，刘美萍铝锭堆垛机传动系统齿轮的有限元模态分析机械设计与制造，：，：（）叶友东基于 的渐开线直齿圆柱齿轮有限元分析煤矿机械，：，：（）王亮，王展旭，杨眉基于 的渐开线直齿圆柱齿轮有限 元 分 析 及 改 进 方 法 现 代 制 造 工 程，：，：（）韩敏 利用 软件对齿轮进行齿根弯曲应力分析机械设计，（增刊）：，（）：（）郑正，雷相君，罗宇舟基于 对塑料齿轮的静力学分析制造业自动化，（）：，（）：（）梁昊宁基于 环境下的渐开线斜齿轮的建模及模态分析现代制造技术与装备，（）：，（）：（）何亚银渐开线直齿圆柱齿轮的有限元分析机械制造与研究，（）：，（）：（），（）：