威龙汽车变速箱二轴齿轮建模及强度分析毕业设计论文

1、威龙汽车变速箱汽车二轴齿轮建模及强度分析 威龙汽车变速箱汽车二轴齿轮建模及强度分析 郑州科技学院本科毕业设计（论文）题 目威龙汽车变速箱二轴齿轮建模及强度分析姓 名专业班级学 号指导教师二O五年五月目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 摘要 4Abstract 5 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 1绪论 6 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1.1课题研究的背景及意义 6 HYPERLINK l bookmark18

2、 o Current Document 1.2本课题研究的主要方法及现状 7 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 1.2.1齿轮强度的计算方法及发展状况 7 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 1.2.2齿轮三维造型的方法及研究现状 8 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 1.2.3有限元法在齿轮强度分析的研究现状 8 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 1.3本文研究的内容 8 HYPERLINK l

3、bookmark28 o Current Document 2齿轮有限元问题分析 11 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 2.1问题描述 11 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 2.2齿轮的描述 12 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 2.3齿轮几何尺寸的设定 13 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 2.4材料选定 13 HYPERLINK l bookmark38 o Current Docum

4、ent 2.5齿轮的受力分析和强度计算 14 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 2.5.1初始参数 14 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 2.5.2齿轮的受力分析 152.5.3齿轮的强度计算 16 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 2.6适用场合 17 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 3齿轮几何模型的建立 17 HYPERLINK l bookmark56 o Current Documen

5、t 3.1三维实体建模的方法及意义 17 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 3.2Pro/E软件的介绍 18 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 3.3在Pro/E环境下创建齿轮实体模型 18 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 3.3.1几何建模的方法与思路 19 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 3.3.2 建立模型的参数化 19 HYPERLINK l bookmark66 o Current

6、Document 3.3.3创建齿轮的渐开线 21 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 3.3.4齿轮模型的生成 24 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 4齿轮结构强度的有限元分析 26 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 4.1有限元分析法简介 26 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 有限元法的基本思想 27 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 4.1

7、.2有限元法的特点 27 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 4.1.3有限元法的基本概念和原理 28 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 4.2ANSYS软件介绍 29 HYPERLINK l bookmark90 o Current Document ANSYS的发展及现状 30 HYPERLINK l bookmark92 o Current Document ANSYS的主要功能 30 HYPERLINK l bookmark94 o Current Document ANSYS分析基本过程

8、 31 HYPERLINK l bookmark96 o Current Document 4.3在ANSY中导入Pro/E实体模型 31 HYPERLINK l bookmark98 o Current Document 模型的导入 32 HYPERLINK l bookmark100 o Current Document 4.3.2修补拓扑结构 33 HYPERLINK l bookmark102 o Current Document 4.3.3导入有限元模型后的总结 33 HYPERLINK l bookmark104 o Current Document 4.4定义单元属性和材料属性

9、34 HYPERLINK l bookmark106 o Current Document 4.5对实体模型网格划分 36 HYPERLINK l bookmark108 o Current Document 4.6模型的加载与求解 37 HYPERLINK l bookmark110 o Current Document 4.6.1模型载荷概述 37 HYPERLINK l bookmark112 o Current Document 4.6.2施加约束和载荷 38 HYPERLINK l bookmark114 o Current Document 4.6.3 求解 39 HYPERLIN

10、K l bookmark116 o Current Document 5齿轮的有限元结构强度计算分析 41 HYPERLINK l bookmark118 o Current Document 5.1计算的理论分析 41 HYPERLINK l bookmark120 o Current Document 5.2计算结果分析 41 HYPERLINK l bookmark122 o Current Document 查看变形 41 HYPERLINK l bookmark124 o Current Document 5.2.2查看应力 42 HYPERLINK l bookmark126 o

11、Current Document 5.2.3应力动画 43 HYPERLINK l bookmark128 o Current Document 查看应变 44 HYPERLINK l bookmark130 o Current Document 5.2.5应力集中点分析 45 HYPERLINK l bookmark132 o Current Document 6总结 46 HYPERLINK l bookmark134 o Current Document 参考文献 47 HYPERLINK l bookmark136 o Current Document 附录 50威龙汽车变速箱二轴齿轮

12、建模及强度分析摘要本文通过对汽车变速箱二轴齿轮的实体建模和有限元强度分析进行研究，利用Pro/E软件对齿轮三维实体进行建模，然后导入ANSYSS用有限元分析软件分 析研究齿轮强度问题。使用三维造型软件Pro/E建立精确参数化的直齿圆柱齿轮模型，实现齿轮实 体模型的建立，可以实现产品系列化设计，减少重复性工作，缩短研发周期，节约 研发成本。利用ANSYS勺数据接口，精确的将在Pro/E软件中生成的几何模型导入有限 元软件ANSYS而后在该实体模型上划分网格、确定边界条件及确定载荷和约束 施加、进行求解。然后对齿轮进行静态分析，验证齿轮有限元模型及边界条件的 正确性和可行性，得到与实际情况相符的应

13、力云图，完成齿轮强度分析。本文对于齿轮的建模设计，有限元强度分析，提高了变速箱齿轮零件的设计 效率，方便了强度分析，为变速箱齿轮的优化设计提供了方法指导。关键字：变速箱二轴齿轮；有限元；静态分析；强度分析VEYRON SECOND SHAFT OF AUTOMOBILE GEARBOXGEAR MODELING AND STRENGTH ANALYSISAbstractThis article through to the second shaft of automobile gearbox gear entity modeling and finite element strength an

14、alysis is studied, using Pro/E software on gear three-dimensional entity model, and then import the general finite element analysis software ANSYS to an alyze the problem of gear stre ngth.Using three-dimensional modeling software Pro/E to establish accurate parametric model of spur gears, gear enti

15、ty model, and can realize the product seriati on desig n, reduce the repeated work, shorte n the developme nt cycle, sav ing the cost of research and developme nt.Data in terface by using ANSYS, so as to accurately will be gen erated in the Pro/E software geometric model into finite element software

16、 ANSYS, then on the entity model divided into grid, boundary conditions and to determine the load was applied, and constraint solution. Then to static analysis of gear, gear finite element model and the correctness and feasibility of the boundary conditions, are consistent with actual con diti on of

17、 stress n ephogram, complete the gear stre ngth an alysis.For gear modeling design, finite element strength analysis, improve the efficie ncy of the desig n of tran smissi on gear parts, convenient for stre ngth an alysis, method in structi ons are provided for optimal desig n of gear tran smissi on

18、.Key words: two shaft gear transmission; Finite element; Static analysis; Strength analysis1绪论1.1课题研究的背景及意义目前，随着汽车技术的迅速发展，对汽车变速箱承载能力和工作可靠性的要 求越来越高，变速箱设计研究工作中对变速箱主要零部件的强度、刚度的计算、 校核的意义十分重大。齿轮作为变速箱中最为重要的零件， 起着传递发动机转矩 的作用，并且由于车速的不断变化和频繁的换档， 其工况较为复杂多变，工作环 境较为恶劣，对其进行科学准确的建模和强度计算十分必要的。变速箱用齿轮有直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮两

19、种。与直齿圆柱齿轮比较， 斜齿圆柱齿轮有使用寿命长、运转平稳、工作时噪声低等优点；缺点是制造稍复 杂，工作时有轴向力，这对轴承不利。变速箱中的常啮合齿轮均采用斜齿圆柱齿 轮，直齿圆柱齿轮仅用于低档和倒档。目前的汽车齿轮传动设计中，各类齿轮的齿根弯曲强度计算仍然按照传统 方法将轮齿简化为“悬臂梁”来计算，而对于汽车斜齿圆柱齿轮也是先将其转化 为法面当量直齿圆柱齿轮后，再按照直齿轮的简化计算方法进行近似分析、 计算 的。传统的设计方法精度比较低，容易造成浪费。另外，其设计结果受到设计人 员所拥有的知识程度、经验多少、对实际掌握程度多少等多种因素的影响。在设 计者设计齿轮参数时，应将相关的齿轮质量指

20、标数据动态的计算出来并适时显 示，供其根据实际情况选择，从而达到预期的设计效果。用有限元法对斜齿圆柱 齿轮进行强度分析可以综合考虑齿轮参数，全面掌握齿轮的受力状况和应力水 平。使用有限元分析软件ANSYS寸齿轮进行强度分析，可对齿轮的强度设计提供 可靠的依据，实现变速器齿轮的计算机辅助设计，可以加快设计进程、缩短研制 周期、提高设计质量，从而使设计人员有更多的时间来从事创新研究，给企业提供更大生存空间。现阶段齿轮CAD系统的二次开发，集中体现在二维参数化绘图方面， 而对于 齿轮优化设计、参数化造型方面涉及很少。本文以Pro/E软件对齿轮参数化的精 确建模，以有限元理论为基础，以ANSYSt限元

21、分析软件作为研究工具， 对齿轮 进行有限元法的结构静力学分析。1.2本课题研究的主要方法及现状目前，随着CAD/CAE/CAM技术的迅速发展，Pentium处理器和NT环境己 经成为CAD/CAM软件运行和应用的主流平台。3D市场中一些主流软件主要有： AutoCAD Pro/E，UG等。其中Pro/E软件是集CAD/CAE/CAM一体化的三维参数 化软件，是当今世界最先进的计算机辅助设计、分析和制造软件，广泛应用于航空、航天、汽车、造船、通用机械和电子等工业领域。使用计算机对齿轮进行设 计与分析已经成为一种重要的研究手段。而使用机械运动仿真和有限元分析软件 对齿轮机构进行准确有效的分析，首先

22、需要建立精确的齿轮实体模型。本文使用 Pro/E对渐开线直齿轮进行参数化的精确建模。 然后导入ANSY软件，通过ANSYS 的共享数据接口实现数据的共享和互换，生成有限元实体模型，应用ANSYSt限元分析软件对齿轮模型进行网格划分、施加约束和载荷、分析计算齿轮的强度。1.2.1齿轮强度的计算方法及发展状况随着现代科技工业的发展，特别是涉及到齿轮的各领域的迅速发展， 其对齿 轮性能的不断提高和各种新型齿轮的不断出现，研究、计算、分析齿轮强度的理 论和方法也在不断的推陈出新。回顾历史，人们一直是用近似公式计算齿轮的强度， 这种用近似公式的方法 一直延续了 200多年的时间。1785年，Walt提出

23、了弯曲强度的概念。而后1881 年，Hertz提出了计算接触疲劳强度的理论公式，而后他在1881年应用牛顿势函数，得出了两接触间的接触压力分布的计算公式。1908年Videky开始把它应用于齿轮齿面接触强度的计算，进一步深刻了齿轮齿面接触强度计算的理论基 础。1892年10月，Wilfred Lewis 提出了材料力学方法，将齿轮看作成悬臂梁 推导出齿根弯曲强度的计算公式，到 1892年他又把齿轮轮齿视为悬臂梁提出了 一种既可以计算最大弯曲应力的大小，又可以显示出最弱界面，成为了著名的 Lewis公式。但它存有很多不足，之后有很多学者对它进行了修改，形成了一套 更加精确的公式。1973年，有学

24、者提出了把直齿轮视为等界面梁来计算动态载 荷对轮齿的影响。虽然这些公式都是建立在种种假设之上的近似公式， 但他们都有着各自的特 点，随着齿轮强度计算公式的不断提出和理论的发展， 这些齿轮强度的计算公式 和方法对齿轮的设计和制造起到了十分重要的理论指导。122齿轮三维造型的方法及研究现状计算机辅助造型技术已广泛应用于产品设计、工程分析、快速成型等技术领域。在应用CAD/CA技术设计，制造齿轮产品时，齿轮的三维实体造型是一个需 要解决的技术难题，如果齿轮造型精度不高，将直接影响有限元分析、虚拟样机 设计的仿真结果，并影响到齿轮产品的CAM制造精度。对于结构更为复杂的斜齿 轮，由于其齿面为螺旋渐开线

25、齿廓曲面，因此三维造型难度更大，目前主要采用二次开发法和加工模拟法来实现其造型,如基于AUTOCA软件的造型方法1、基 于Pro/E软件的造型方法2等。加工模拟法需要模拟刀具和轮坯模型的范成运 动并进行全程布尔运算，生成的文件较大，设计周期较长。而采用CAD/CAM/CAE集成化软件Pro/E进行斜齿轮设计的过程中，将Pro/E的三维参数化造型、表达 式处理、自由曲面扫描等功能有机结合，这是扫描成型法。该方法首先求得斜齿 轮的端面轮廓线，然后通过投影关系获得其法面轮廓线， 将法向轮廓线沿螺旋线 扫描获得斜齿轮廓面，然后利用该轮廓面对造型实体进行裁剪操作以生成单个轮 齿，并通过布尔运算最终获得斜

26、齿轮的完整轮齿。实际应用表明，扫描成型法的设计精读和设计效率较高。而本课题研究的是：目前，工程中最常用的渐开线圆 柱直齿轮的三维造型理论与方法已进行了大量研究，并取得了较为成熟的研究成 果，如基于Pro/E软件的生成方法2,基于UG软件的3种生成方法3，基于 CAM漱件的生成方法4等。1.2.3有限元法在齿轮强度分析的研究现状目前，研究齿轮的强度主要有试验研究和分析计算两种方法。试验研究是以 齿轮的实际试验数据、结果为基础，分析强度和变形，其实用性较强。分析计算 是利用经典力学、有限元、边界元等方法，通过建立零部件的实体模型，以计算 结果为基础研究其强度。由于试验研究需要花费较长的时间和高昂的

27、费用，并且试验研究只能在已制成的产品上进行， 设计阶段则无法进行。因此，人们很早就 用分析计算的方法研究齿轮的强度。 本世纪五十年代以前，分析机械结构强度问 题的方法主要是利用经典力学，将复杂的实际结构简化为较为简单的力学模型， 通过寻找一些途径使较复杂的高次超静定或非线性力学模型变为根据当时的条 件能够计算的静定、线性或低次超静定模型，从而获得解答。但这种方法一般只 适用于各向同性体在弹性范围内的小变形问题，并且由于计算模型构造过于简 单，导致计算结果与实际情况相差较大。随着科学技术的发展，有限元法和边界元法开始获得广泛地应用。 有限元法 是一种离散化数值分析方法。一个复杂的弹性体可以看成是

28、由无限个质点组成的 连续体，它具有无限个自由度，为了进行计算，将此弹性体简化为由有限单元组 成的集合体，这些单元是在有限节点上链接的，因此，这个集合体具有有限自由 度，这就为计算提供了可能。有限元方法可以求解结构形状和边界条件均很复杂 的力学问题，应用领域相当广泛。利用有限元方法，可以获得齿轮的应力分布、 变形分布等数据，应用这些数据可以对变速箱齿轮进行强度校核、寿命计算、优 化设计等工作。早在20世纪60年代，就开始出现利用有限元法研究齿根应力的工作。1973 年，D.B.Wallace和A.Sering对一个齿轮模型进行了应力、变形和断裂的研究， 计算了在齿轮轮廓上三个特殊点处作用同一个脉

29、冲载荷时齿根应力随时间的变 化规律。1974年，G.Gharbert使用二维有限元法对一齿轮模型进行了齿根应 力和挠曲变形的动态有限元分析 6。1988，V.Ramamurti和M.Ananda Rao利用 二维有限元法和循环对称概念计算了齿根应力随时间的动态变化规律7。1989年，N.Ganesan研究了直齿轮的动载荷与齿根应力的关系，1993年它利用三维有 限元法计算了一个轮齿在移动线载荷作用下齿根应力随时间变化规律8。1999年，D.Barlam和E.Zahavi利用有限元法对曲面的接触问题进行了研究。有限元技术的出现及迅速发展，为工程设计领域提供了一个强有力的计算工 具，经过半个世纪的

30、发展，它已日趋成熟，在几乎所有的工程设计领域发挥着越 来越重要的作用。变速箱零部件齿轮的设计研究是有限元技术应用较为广泛的领 域之一。有限元技术的应用提高了变速箱零部件齿轮设计的可靠性，缩短了设计周期，已成为一种常规的设计手段。目前国内众多科研院所都应用有限元分析方 法对变速箱设计进行研究，如中国北方车辆研究所进行的变速箱有限元强度计算 与优化研究3；同济大学对Santana轿车主减速齿轮的有限元分析4；杨生华 利用二维、三维单齿模型和三对轮齿的啮合模型，使用集中载荷作为加载方式， 进行了齿轮强度有限元计算；徐步青针对冲击载荷以及移动载荷作用下的齿轮简 化模型，加载集中力和线分布载荷，进行了齿

31、根弯曲作用下的二维、 三维有限元 计算；陈玲利用三齿和五齿模型对汽车以及拖拉机半轴齿轮进行了静、动态相应 有限元分析等。近几年来，随着计算机软硬件水平的提高，变速器零部件有限元 分析向着更加精确细致的方向发展。在计算齿轮应力分布的数值方法中， 有限元法无疑是最有效的方法之一。 但 在齿轮齿根弯曲应力有限元计算中常常遇见的问题是，为了提高计算精度必将使计算模型增大，随之而来的是计算费用的增加或计算机内存不够而无法运行。为了兼顾计算精度和计算模型的矛盾，采用局部网格细化将是有效的途径。1.3本文研究的内容本文以变速箱中直齿圆柱齿轮为研究对象，利用三维造型软件Pro/E进行实 体建模，并利用大型有限

32、元分析软件 ANSYS对齿轮进行了强度分析计算。本课题主要的研究内容为：基于威龙汽车变速箱二轴齿轮的建模及强度分 析。具体内容为：（1）齿轮的三维实体建模利用Pro/E软件建立三维实体齿轮模型，应用有限元分析软件ANSYS寸齿轮 强度分析，包括 Displacement （位移）、Stress （应力）、Mechanical （应变）， 并列出各静力学模型的静力学方程，为齿轮传动系统的模态分析和动态响应求解 奠定基础。（2）齿轮的有限元分析利用ANSYS与Pro/E的数据接口，导入到ANSYS有限元分析软件中，进行 轮齿网格划分，对齿轮进行约束，施加载荷，最后进行求解计算强度，对结果进 行分析

33、比较。为汽车变速箱齿轮强度分析的后续研究工作，特别是实验研究，提供了实验分析数据。（3）结论未来齿轮正向重载、高速、高精度和高效率等方向发展，并力求尺寸小、重 量轻、寿命长和经济可靠。而齿轮理论和制造工艺的发展将是进一步研究轮齿损伤的机理， 这是建立可 靠的强度计算方法的依据，是提高齿轮承载能力，延长齿轮寿命的理论基础；发 展以圆弧齿廓为代表的新齿形；研究新型的齿轮材料和制造齿轮的新工艺；研究齿轮的弹性变形、制造和安装误差以及温度场的分布， 进行轮齿修形，以改善 齿轮运转的平稳性，并在满载时增大轮齿的接触面积，从而提高齿轮的承载能力。2齿轮有限元问题分析当遇到一个有限元问题分析时，一般要考虑问

34、题所在的科学领域、分析该问 题需要达到的目的等分析方案，制定分析方案是十分必要的。这可以使我们对该 问题进行总体的把握，使我们了解问题在现实中的发展、应用、意义、及用有限 元软件模拟此问题对今后发展状况的作用与现实意义，有限元问题分析应从分析 领域、分析目标、线性/非线性问题、静力/动力问题、分析细节的考虑、几何模 型的性质方面考虑。制定的分析方案好坏直接影响分析的精度和成本，因此要尽可能详细的制定分析方案。但在制定方案前，首先要对问题进行全方面精确的分 析和描述。2.1问题描述在对一个零件建模及有限元分析时， 要先对问题有一个初步的了解，可以从 分析目的、分析的问题等方面对问题进行一个简单的

35、描述。1）分析目的本课题是对汽车变速箱二轴齿轮的几何实体建模及强度分析问题的研究。在进行对齿轮建模之前，我们要对齿轮进行深刻的了解，变速箱二轴齿轮是机械传 动中的常见零件之一，齿轮的模拟计算是一个非常有意义的研究领域。由于齿轮的几何形状、边界条件和作用载荷都非常复杂，要尽量精确地模拟齿轮性能，选择 合适的计算方法是其中关键的环节之一。 且在工作过程中承受较大的弯曲载荷作 用，是弯曲变形典型零件，变速器齿轮弯曲问题的有限元分析，是齿轮结构设计与优化的有效手段。建立有效的有限元分析模型，准确求解齿轮的应力与变形有 重要意义。只有对齿轮有了一定的了解，明白了齿轮的结构特点及运动特性后， 才能用Pro

36、/E软件建立几何模型。然后将其导入到ANSY歎件中，并对其进行强 度分析，本课题主要从 displacement （位移）、stress （应力）、strain （应 变）等方面对齿轮进行静力强度分析。2 ）分析的问题为了模拟计算汽车变速箱在高速运转时，变速箱二轴齿轮在工作时发生的变 形和产生的应力，变速箱二轴齿轮发生多大的径向位移，从而判断其变形情况， 以及齿轮运转过程齿面受到的压力作用。 齿轮模型如图2.1所示。齿轮是用键与 轴相连接的，齿轮围绕着轴做圆周运动，既不能发生沿轴向的位移；在齿轮的孔 面上分布有压力；在齿轮孔的键槽的一侧受到压力。图2.1齿轮模型2.2齿轮的描述齿轮是汽车变速箱

37、的重要构件和主要运动件，其结构形状和受载状况均很复 杂。它的性能好坏，直接关系到变速箱的功能和寿命。齿轮在工作过程中要承受 齿轮啮合时的径向载荷和轴及键的工作载荷的作用，工作条件比较恶劣。齿轮的 可靠性和寿命在很大程度上影响着变速箱的可靠性和寿命。所以要求齿轮耐疲 劳、抗冲击、具有足够的强度和刚度。而工作中常见的缺陷有轮齿的折断、齿面 的损伤等。目前，国内外都把齿轮转动作为主要的传动方式， 而齿轮传动也被作为变速 箱的主要传动方式。因其工作可靠，寿命长，结构紧凑，传动比准确，传动效率 高，速度和功率的适于范围广。现代变速箱齿轮性能设计及分析占有很重要的地 位。现在汽车向着环保节能方向发展， 对

38、齿轮设计的主要要求是：在保证足够的 强度、刚度和稳定性下，尽可能达到体积小、质量轻、形状合理，并最大限度地 减缓齿轮啮合区的应力集中。2.3齿轮几何尺寸的设定对齿轮建模及强度分析需要知道齿轮的几何参数， 如图2.1所示为一标准渐 开线直齿圆柱齿轮。本课题是对齿轮在现实中的模拟分析， 设定其基本几何参数 如表2.1所示，其他尺寸如图2.2所示。表2.1齿轮的几何参数齿轮齿数z模数m/mm压力角a / 齿厚B/mm30420402.4材料选定在生活中随处可见的齿轮都是由不同的材料生产的， 齿轮的用处不同，所需 要的材料也不尽相同，对齿轮材料的选择时要考虑工作的情况、 加工情况、受力 情况等一系列的

39、问题。下面几点是齿轮材料选择所需要注意的事项。（1）齿轮对材料的要求在保证强度的前提下，使其能够得到给定的精度和表面质量： 材料要有足够 的硬度，因此其具有较强的承载能力、抗点蚀能力、抗胶合能力，但易脆性折断。 要有足够的强度和韧性，保证一定的寿命和抗冲击性。要有良好的加工工艺性和 热处理性。还需要符合经济性要求。常用材料的及热处理齿轮材料的选择原则不同的工作条件选用不同的齿轮材料， 同时考虑齿轮尺寸大小、毛坯成型方 式及热处理和制造工艺。钢制齿轮：正火碳钢用于载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮；调质钢用于中等冲击载荷下工作的齿轮；合金钢用于高速、重载及在冲击载荷下工作的齿轮。 硬齿齿面适合重载、

40、高速、结构尺寸受限制的场合。软齿齿面适合中载、中速、 结构尺寸不受限制的场合。铸铁及球墨铸铁：适合低速、工作平稳、功率较小和尺寸与重量无严格要求 的场合。非金属材料：适用高速、轻载及精度不高的齿传动，以便降低噪声。因此，根据上述的综合要求，本文齿轮选用的材料是 45钢，查机械工程材 料手册可知其弹性模量是2.06 X 105Mpa2.5齿轮的受力分析和强度计算计算模型是分析研究模型的前提。用 ANSYS寸复杂的工程结构作静态分析， 计算模型的受力情况至关重要。从齿轮的结构上来看，齿轮是一个对称的结构； 从运动状态来看，齿轮运动时要用键与轴相连接的，齿轮围绕着轴做圆周运动， 既不能发生沿轴向的位

41、移。因此，对齿轮静态分析时，要对齿轮施加约束与载荷。 对于约束和载荷均对称施加，在齿轮的孔面及键槽上施加沿轴向的位移约束， 在 单个齿面上施加沿径向的压力。2.5.1初始参数本文分析的齿轮是威龙汽车变速箱二轴齿轮，其主要的初始参数如表2.2所示。表2.2初始参数发动机功率发动机转速节圆直径弹性模量泊松比P/Kwn/rpmd/mmE/Mpa746.746600012052.06 X 100.32.5.2齿轮的受力分析在研究齿轮扭转引起的应力和变形之前，要先讨论作用于轴上的外力偶矩及 横截面积上的内力。作用在轴上的外力偶之矩通常不是直接给出的， 往往要由轴 所传递的功率和转速来计算。设动力经汽车的

42、发动机输入，然后由汽车变速箱内 的齿轮输出，假设齿轮在发动机轴上。若已知发动机的功率为 P,发动机的转速 为n,则齿轮的外力偶矩Pfcw r/min进行齿轮的强度计算时，首先要知道轮齿上所受的力，这就需要对齿轮坐受力分析。当然，对齿轮传动进行力分析也是计算安装齿轮的轴及轴承时所必需的。 齿轮传动一般均加以润滑，啮合轮齿间的摩擦力通常很小，计算轮齿受力时，可 不予考虑。沿啮合线作用在齿面上的法向载荷Fn垂直于齿面，为了计算方便，如图3所示，将法向载荷Fn在节点P处分解为两个相互垂直的分力，即圆周力Ft与径向力Fr,。由此得= 2T/d 气=耳 tan 20 气=/y/cos 20)N mn;式中

43、：T1小齿轮传递的转矩,d1小齿轮的节圆直径，对标准齿轮即为分度圆直径，mma 啮合角，对标准齿轮，a =20图2.3直齿圆柱齿轮轮齿的受力分析分度圆直径圆周力径向力法向载荷齿顶圆直径C OSff2.5.3齿轮的强度计算齿轮强度的计算其实就是齿轮啮合时齿轮啮合面上所受的径向载荷，即齿轮单位面积上所受的外力扭转的计算。由于齿轮的孔面及键槽上施加沿轴向的位移 约束，受力的大小可以不用计算。只需要计算齿轮啮合时，齿面上的受力大小。 发动机标准功率P=1OD1 lmportIGES，选择Pro/E软件绘制的齿 轮实体模型保存的IGES格式的文件，如图5所示即为导入成功的齿轮实体模型。对如输入 IGES

44、文件，ANSYS供了两种选项：DEFAULTS ALTERNATEDEFAULT 选项使用一种增强的几何数据库，在大多数情况下应当选这个选项。它可以自动 地进行IGES文件的转换，转换包括自动地合并和生成体，为模型划分网格做准 备。DESAUL选项有其局限性：（1）它不能转换文本、面积、注释图元、结构图元等数据，并且它会忽略 它不能识别的IGES图元，不过它不会转换所有的IGES拓扑和几何图元；（2）在输入文件后，ANSYS各不允许从DEFAULT选项转换到ALTERNAT选 项，因而将不容许自底向上的生成方法。ALTERNAT使用标准的 ANSYS几何数据库。在有些时候，ANSYS不能用DE

45、FAULTS换IGES的模型，这时就可以试一试ALTERNAT选项。但是ALTERNATE 选项没有自动生成体的能力。而且通过它转换的模型还需要一些手工的修补。本课题分析选用的是DEFAULT选项。选择了要输入的IGES文件，导入模型后，并不一定马上就能进行网格的划分，有时还需要对模型进行一些修补。J iihSV MljHiphjirir： .STh,- Mer.i .ElieListPlotClrls MorkPlaiw ParaiwierBBfllplo II b r a I1Its u a t| ar-1 A 2*1 HlAM5YS Toolbarl肚话B RtflJMJffll UUI

46、t PlMFERFtiMiSIfS K邸 n Jletw|S Prcfcraice rreprtxcessDr Hl clutiin 田 Genern P口atprn 0 TiHeliis t Postpro 田 Tdp。.呷1ml Op-l Him Ton I al Desi BiiXpJ arcr 百恥就眇Qp* El rrob DesiD Hl Kadi at itin Opt Snn Kdi. t nr5 FinishWLMStyp tnm苦R L2 KL5D4i 1H54F Eleme nt Type Add/Edit/Delete命令，弹出 Eleme nt Type对话框，此时列

47、表框中显示NONEDEFINES示没有任何单元被定义。（2）单击 Add/Edit/Delete 按钮，如图 5.3 所示弹出 Library of Element Type对话框，在左侧列表框中选择 Solid，在右侧列表框中选择 Brick 8 node 185 （八节点四面体实体结构单元）即可。/V Library of Element TypesLibrary of Element Typ（fr$siElement type reference numberCancel图4.2单元类型库对话框F面用GUI的方式介绍定义材料属性的操作步骤:（1 ）从主菜单栏选择Main Menu : P

48、reprocessor Material Props Material Model 命令，如图 5.4 所示弹出 Define Material Model Behavior 对 话框，在右侧依次选择 Structural Lin ear Elastic Isotropic命令，展开材料属性的树形结构。图4.3定义材料模型属性窗口（2）前面已定义材料属性中弹性模量住二医X 胪打m ,泊松比 :,0双击Isotropic ，如图5,5所示在弹出的对话框EX文本框中输入弹性模量“ 2.06 e11”，在PRXY文本框中输入泊松比“ 0.3 ”。A Linear Isotropic Properti

49、es for Material Number 1Linear Isotropic Material Properties for Material Number 1T1GraphAdd Teniperature Delete TeniperatureCancel图4.4线性各向同性材料的弹性模量和泊松比4.5对实体模型网格划分实体建模的最终目的是划分网格以生成节点和单元。在完成了实体模型、导 入ANSYS及建立了单元属性，网格划分控制之后， ANSYS?序可以轻松地生成有 限元网格。考虑到要满足特定的要求，可以请求映射网格划分设定生成全部都是 三角形、四边形或块单元。与其它任何近似数值的方法一

50、样，有限元法也存在算法的可靠性和有效性的 问题。有限元分析结果有时也可能出现一些误差，其误差可能来自分析过程的各个环节，其中一个主要的误差来源是模型的离散化。有限元网格划分的质量对分析结果的精度有着至关重要的影响。 为了正确、合理的建立有限元模型，在划分 网格时应该考虑一些基本的原则。ANSYST限元网格划分是进行数值模拟分析的 至关重要的一步，它直接影响着后续数值计算分析结果的准确性和精确性。网格划分涉及单元的形状及其拓扑类型、单元类型、网格生成器的选择、网格的密度、 单元的编号以及几何体素。从几何表达上讲，梁和杆是相同的，从物理和数值求 解上讲则是有区别的。同理，平面应力和平面应变情况设计

51、的单元求解方程也不 相同。下面简述一下齿轮有限元模型网格划分的过程：（1 ）从主菜单栏选择 Main Menu: Preprocessor Meshing MeshTool 命令，打开Mesh Tool （网格工具），选择Smart Size调整网格划分精度的数值I 上百 kTooll为9,单击Mesh和Pick All按钮，即可完成齿轮有限元实体模型的网格划分, 如图4.5所示。A 沐 丫；斶Hiphysp 応旳 Mem. B .hgqgunlEll b1eCI List 巴M PlatClrls MorkPl-sne- PaxanstetB I&ztd JleniCrls HelpCsJ1

52、 1u母T| 图|1 I. 21 HlANSYS ToolbarlEAVTjal RtflfflJBl QUirl PCMRGRPH二J园 Preferefics rrtEprocessor Ei Elewnii TypeEi Rr：nl 百口nat rmi a9latErial Props e Setlvdb9 Kode l iEig曰Irshinc田 lefllh Atty k but SB田 Sizei Cntrlc Hlfifllher Opts S C Define Loads Apply Structural Displaceme nt On Areas命令，打开面选择对话框，要求

53、选择施加位移约束的面如图4.6所示，单击Pick All按钮，如图4.7所示施加约束 位移成功。图4.6定义约束图4.7约束成功(2)从主菜单栏选择 Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Displaceme nt Pressure On Areas 命令，打开面选择对话框， 要求选择施加载荷的面如图4.8所示，单击Pick All按钮，如图4.9所示施加 载荷成功。图4.8施加载荷图4.9施加载荷成功4.6.3求解一般有限元分析中的载荷包括边界条件和内外环境对物体的作用，可以分 为：自由度、集中载荷、面载荷、体载荷和惯性载荷。可以

54、在实体模型上或者有 限元模型上加载。直接在实体模型上加载，独立于有限元网格的划分，重新划分 网格或者局部网格修改是不影响加载的， 而且操作方便，可以在图形中拾取。但 是无论采取何种加载方式，有限元分析程序在求解前都将转化到有限元模型上， 因此，加在实体上的载荷将自动转化到其所属的节点单元上。施加载荷应遵循的 原则是：简化越少越好。使施加的载荷与结构的实际承载状态保持吻合。在加载 时，必须清楚各载荷的施加对象。如果必须作简化处理是，必须忽略不合理简化 的边界附近一定区域内的应力 。除了对称边界外，实际中不存在的真正的刚性边界，实际上也不存在集中载 荷。值得注意的是：在结构分析中集中载荷通常是向梁

55、、 杆等构成的非连续性的 模型施加的一种途径。对于由壳单元、平面单元或者三维实体单元等构成的连续 性模型，集中载荷意味着存在应力奇异点。但是在静力分析中，如果不关心集中 载荷作用节点出的应力，根据圣维南原理22，可以用等效集中载荷代替静力分 布载荷。添加在模型上这样虽然对载荷附近的局部特性有影响，而对整个结构的 性能影响不大。当所有的载荷加载完成后，从主菜单栏选择Main Menu Solution Solve Current LS命令，打开一个确认对话框和状态列表，要求查看列出的求解选项， 查看列表中的信息确认无误后，单击0K按钮，开始求解。求解过程中会有一些求解进度显示，如果有限元实体模型

56、比较复杂，求解的就会比较慢，求解的内容 如图4.10所示。F叫A /STATUS Command| S3FileS 0 L U I ION0 P T I 0 N SPROBLEM DIMENSIDNALITV.3-DDEGREES OF FEEEDOMUKUII 艺ANALYSIS TVPE .STATIC GLOBALLV ASSEMBLED MATfilK .SVMMEIRICLOADJ；T E POPTIONSLOAD STEP NUMBER. 1TIME AT END OF THE LOAD STEP.1.NUI1BER OF SUBETEPS. 1STEP CHANGE BOUNDA

57、RV CONDITIONS .DEFAULTPAINT OUTPUT CONTROLS .NO PRINTOUTDATABASE OUTPUT CONTROLS,.ALL DATA WRITTENFOR THE LAST SUBSTEP图4.10求解的内容当出现Solution is done!的内容，即为求解完成。然后从应用菜单中选择Utility Menu : PlotCtrls Symbols ，在 Show pres and convect as （用表面 上的线显示压力值）栏中，选择 Face outlines ，单击OK即可。之后从应用菜 单中选择Utility Menu : Pl

58、ot Areas 结果如图4.11所示显示载荷。A itvM Muhiphics UriFty Mfr. . “q和nElieListPlotClrls MorkPlaiw ParaiwierB l&zr!Bfllplo II b r a I 1Its u a t| ar”i蚤列團AM5YS ToolbarSfiVTJfll RESUMJfil OUR PtMFtmil皿3YS IhM Hctw辿E Prcfcraics町 rrepr&cessDr曰 ut itlELE Anft yfiia Typr： 回 DrfiM Loads EH LoitdShbE 竈 1 iuiAitHt:ni (C

59、IS) S RrniL Is Trarckins B $me jmMS-JtoL M 口 EW?:resiat LSIBlfru LS Files HPnrii ftl 血】口 庄 Kanual Rtzoni 口ie e lulti-fleld Set Vt S LDAIS Cannectian 丘 DiaEn.4st ics H Dnafe-r Ngtd lenu El G亡口era! E1 口stprac 田 Tif Himl PostpriQ 田 TcipDlnrR Efil. Opi- HIRDHTim-L 31 DceI npiXp 1 Orr HJ Design Opt 田 fro

60、b Ihii gn 31 RftdlatlOFl QpT 5 Sessinn. Edi tor HFinitriiANAre. iz jait d9Ul2BFd_J金Q%&評J_s_屋冋| Rick: a. rrerxi it=D ar eater si ANSY5 匚zimandSOLLOOfipnsr=lI typ=lI resll IcsytfO | secnF图4.11显示载荷5齿轮的有限元结构强度计算分析5.1计算的理论分析5.2计算结果分析求解完成后，对于静力分析，就是 Jobname.RST就可以利用ANSY歎件生 成的结果文件进行后处理。静力分析中通常通过POST后处理器就可以