基于proe和ansys的齿轮虚拟设计

基于proe和ansys的齿轮虚拟设计

0齿轮的设计齿钻压继承广泛应用于矿山、重环运输、冶金等行业的低速重型装备中。由于其恶劣的工作环境，为了提高其寿命寿命和可靠性，齿轮的设计非常重要。传统的设计是借助于经典力学公式与经验设计,本文以外啮合销齿传动齿轮为例,利用Pro/E软件完成销齿传动的齿轮的三维实体模型和有限元模型的创建,然后利用ANSYS软件对其进行结构的有限元分析,实现了销齿传动齿轮的虚拟设计,对提高其使用寿命与可靠性提供了理论依据,大大地缩短了该类产品的设计与制造周期。1齿轮建模步骤外啮合销齿传动实质上相当于一对节圆作纯滚动,其中齿轮的轮齿的齿廓曲线为外摆线,其轮齿的形状主要取决于销齿传动的相关参数,本文销齿传动的相关参数如下:齿轮齿数z1=13、销轮齿数z2=360、销齿直径dp=30mm、齿距p=63.16mm、齿根圆半径rf=15.5mm、齿根圆角半径中心至节圆周距离c=1.5mm、齿顶高ha=27.16mm、齿根高hf=17mm、过渡圆弧半径R=10mm。齿轮的建模步骤如下:(1)创建齿轮的齿坯利用拉伸特征创建齿轮的齿坯并参数化,其三维模型如图1所示,其参数关系式为da=pz1/pi+2ha。(2)创建齿形的齿廓曲线先利用基准坐标系创建基准坐标系,然后利用基准曲线功能中的方程曲线功能绘制绘制齿轮的啮合曲线,接着以啮合曲线的点为圆心,以销齿直径dp为直径作一系列圆,然后绘制出这一系列圆的内包络线,即齿轮齿形的齿廓曲线,如图2所示,在绘制过程中添加相应的关系式驱动。(3)创建齿槽特征先利用镜像工具镜像齿廓曲线,然后利用拉伸特征工具创建齿轮的第1个齿槽,如图3所示,在绘制过程中添加相应的关系式驱动。(4)创建其余齿槽及齿轮的其他特征先利用阵列工具阵列出其余齿槽,然后利用拉伸、倒角与倒圆特征工具绘制出其余齿轮的其余特征,齿轮模型如图4所示,在绘制过程中添加相应的关系式驱动。2齿轮载荷的施加利用MECHANICA模块生成齿轮的有限元模型,其步骤如下:(1)设置材料属性齿轮的材料为45钢,调质处理,硬度为HB207~255,弹性模量E=210GPa,泊松比μ=0.3,密度ρ=2.82t/m3,屈服强度σs=355MPa,抗拉强度σb=600MPa。将该材料属性添加给齿轮模型。(2)添加约束选择轮毂及键槽的面添加约束,将齿轮的6个自由度全部约束。(3)施加载荷由参考文献,按z1=13、ha/p=0.43得销齿传动的重合度ε=1.28,为了提高齿轮的设计安全系数,均假定载荷作用在相邻两齿的齿顶。为了加载首先利用基准坐标系工具在相邻两齿的齿顶建立相应的局部坐标系,接着再将齿轮所受的圆周力Ft=14497N、径向力Fr=17806N与重力加速度gn=9.8ms2的重力载荷加载给模型,加载后的模型如图5所示。(4)建立齿轮的有限元模型首先利用分析菜单中的“有限元分析(A)…”子菜单中的新建命令建立有限元分析任务,分析任务的类型设置为“Stuctural”、约束和载荷分别选择刚建立的约束与载荷组。再利用MECHANICA的FEM模式中的网格划分功能划分网格,网格单元类型为三角形,划分后的网格模型如图6所示。最后运行有限元分析任务,并将运行后的文件以后缀为.ans的文件输出,至此齿轮的有限元模型完成。3齿轮结构的静力分析在ANSYS中导入Pro/E中的有限元模型文件,然后通过主菜单中的“Sloution→Slove→CurrentLS”对其运行求解,求解完后,就可得出齿轮结构的静力分析的各种结果,如应力、应变与变形等,其应力云图如图7所示,由图可知最大应力为144.158MPa,最大变形为1.045mm,故该齿轮的结构满足实际使用要求。4模型运算仿真利用Pro/E软件完成齿轮的三维参数化造型设计与有限元模型的创建,设计效率高、操作方便、便于修改;利用