【正文】 ........................... 22 齒輪彎曲疲勞強度校核 ........................................................................................................ 23 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 本章小結(jié) ................................................................................................................................ 24 結(jié) 論 ............................................................................................................................................. 25 參考文獻 ....................................................................................................................................... 26 附 錄 ........................................................................................................................................... 27 致 謝 ........................................................................................................................................... 28 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 1 1 緒論 論文研究的目的和意義 齒輪傳動 [1]是機械傳動中最重要的傳動之一，廣泛應(yīng)用于各種機械、冶金、礦業(yè)、汽車、航空航天及船舶等領(lǐng)域。齒輪傳動具有傳動比穩(wěn)定、效率高、結(jié)構(gòu) 緊湊、工作可靠、使用壽命長等特點。在各種齒輪傳動中應(yīng)用最為廣泛的是漸開線圓柱齒輪傳動，它結(jié)構(gòu)簡單、加工制造方便，在機械設(shè)備中占據(jù)著突出的地位。由于齒輪的設(shè)計與制造水平將直接影響到機械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，幾十年來，對漸開線齒輪設(shè)計和研究一直從未停止，使設(shè)計方法達到了更高的水平。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)產(chǎn)品也取得了豐碩的成果，同時人們對齒輪傳動提出了跟高的要求，因此進一步研究齒輪傳動，設(shè)計傳動精度高的齒輪才能滿足現(xiàn)代機械面向高速重載發(fā)展的需要。 常見的圓柱齒輪傳動有直齒圓柱齒輪傳動、斜齒圓柱齒輪傳動、人字齒傳動。 圓柱齒輪大多應(yīng)用在平行軸間傳動。 直齒圓柱齒輪是現(xiàn)代機械中最常見的一種傳動機構(gòu)，廣泛應(yīng)用于各種減速器、機床傳動裝置及車輛的變速箱等。如果齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，就會影響其動態(tài)性能，在工作過程中就會產(chǎn)生較大的振動和噪聲，同時也會影響工作精度與可靠性。齒輪由于長時間工作，齒輪就會由于受力不均勻，齒面就會發(fā)生變形，甚至失效不能工作。所以對齒輪進行失效分析，并提出改進措施，可以延長齒輪壽命，保證齒輪傳動的可靠性。 目前，圓柱齒輪正朝著高承載 [2]、高速度、高效率、低噪聲的方向發(fā)展。為使高速重載齒輪運轉(zhuǎn)能較為平穩(wěn)，減少由 齒輪受載變形和制造誤差引起嚙合初始沖擊，并改善齒面的潤滑狀況及獲得較為均勻的載荷分布，這就需要對齒輪進行有限元分析，對齒輪受力進行計算，避免齒輪發(fā)生失效。 為了避免齒輪失效，研究齒輪受力已是當(dāng)代機械工程的重要課題。有限元法的誕生為計算齒輪應(yīng)力提供了一種新的方法和手段，避免了傳統(tǒng)的齒輪應(yīng)力計算方法將齒輪作為懸臂梁計算的誤差，能較準(zhǔn)確地反映齒輪應(yīng)力的分布形態(tài)。 齒輪常見的失效方式和改進措施 齒輪傳動是機械傳動中的主要形式之一，由于它具有速比范圍大、功率范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊可靠等優(yōu)點，它已廣泛應(yīng)用于各種機械設(shè) 備和儀器儀表中，成為現(xiàn)有機械產(chǎn)品中所占比重最大的一種傳動。齒輪從發(fā)明到現(xiàn)在經(jīng)歷了無數(shù)次更新?lián)Q代，它主要向高速、重載、平穩(wěn)性、體積小、低噪等方向發(fā)展。 齒輪傳動因其具有傳動平穩(wěn)、傳動比恒定、結(jié)構(gòu)緊湊、能承受較大載荷等優(yōu)點，而被廣泛應(yīng)用于各種機械傳動中。但受材質(zhì)、制造精度、加工工藝、安裝及環(huán)境等因素的影響，齒輪會產(chǎn)生各種各樣的失效 [3]，比如輪齒折斷、點蝕、磨損、膠合和齒面塑性變形等，嚴(yán)重影響齒輪的壽命。因此，對齒輪常見失效形式進行研究，提出改進措施，對有效延長齒華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 2 輪的使用壽命具有重要的經(jīng)濟現(xiàn)實意義。 失效分析 1）輪齒折斷 輪齒的折斷有多種形式，在正常情況下，主要是齒根彎曲疲勞折斷。在輪齒受載時，齒根處產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力最大，再加上齒根過度部分截面突變及加工刀痕等引起的應(yīng)力集中作用，當(dāng)輪齒重復(fù)受載后齒根處就會產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐步擴展，致使輪齒疲勞折斷。 此外，輪齒因短時過載或沖擊過載而引起的突然折斷，也可能出現(xiàn)過載折斷；在輪齒經(jīng)過嚴(yán)重磨損后齒厚過分減薄時，也會在正常載荷作用下發(fā)生折斷。用淬火鋼或鑄鐵等脆性材料制成的齒輪，容易發(fā)生這種斷齒。 2）齒面磨損 在齒輪傳動中，齒面隨著工作條件的不同會出現(xiàn)多種不同的磨 損形式，齒面磨損主要是由于灰砂、硬屑粒等進入齒面間而引起的磨粒性磨損。磨粒性磨損是開式齒輪傳動的主要失效形式之一。 磨料磨損是指由于懸浮或混在潤滑劑中的堅硬微粒（如金屬碎屑、銹蝕物、砂粒、研磨粉等）在齒面嚙合相對運動中，使齒面材料移失或錯位，有時齒面上嵌入堅硬微粒，也會產(chǎn)生磨料磨損。磨料磨損的結(jié)果是使輪齒失去漸開線齒形而失效。由于存在堅硬的微粒，從而使齒面上常常出現(xiàn)堅硬的劃痕。 3）齒面疲勞失效 輪齒在運轉(zhuǎn)過程中，受到周期變化的接觸應(yīng)力的作用。當(dāng)接觸應(yīng)力超過一定值時，就會在齒面上產(chǎn)生微小的疲勞裂紋。此疲勞裂 紋不斷擴展、延伸，最終使小塊金屬脫落，形成不同形狀的小凹坑。根據(jù)凹坑形狀和起因不同，齒面疲勞有點蝕、片蝕、剝落和表層壓碎幾種形式。 （ 1）點蝕 在一般的齒輪傳動裝置中，齒面上出現(xiàn)不擴展的初期點蝕，它并不影響齒輪的使用。但是，如果齒面上出現(xiàn)擴展性點蝕，破壞了齒面的正確形狀，齒輪將很快失效。擴展性點蝕一般首先出現(xiàn)在靠近節(jié)線的下齒面上，點蝕坑較大，較深，并有不斷擴展的趨勢；有時雖然會有一些間斷的抑制，但隨后又進一步擴展，直至連成一片，最后導(dǎo)致齒輪失效。 （ 2）片蝕和剝落 片蝕的特征是齒面材料有較大面積的薄 碎片脫落，使齒面出現(xiàn)類似倒三角形的大致相同深度的淺坑。剝落這一術(shù)語特別用來表示脫落的碎片，它的形狀不規(guī)則的類似于片蝕的損傷。 （ 3）表面壓碎 表面壓碎常發(fā)生在表面硬化的齒輪上，其裂紋通常在表層與心部 的過渡區(qū)擴展，致使大塊表層材料碎片脫落，這是一種嚴(yán)重的脫落形式。 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 3 擴展性點蝕、片蝕、剝落和表層壓碎都會破壞正常的齒面形狀，從而使齒輪失效。 4）齒面膠合 對于高速重載的齒輪傳動，齒面間的壓力大，瞬時溫度高，潤滑效果差，當(dāng)瞬時溫度過高時，相互嚙合的兩齒面就會發(fā)生黏在一起的現(xiàn)象，由于此時兩齒面又在作相對運動，相粘結(jié)的 部位即被撕破，于是在齒面上沿相對滑動的方向形成傷痕，這種現(xiàn)象稱為膠合。傳動時的齒面瞬間溫度愈高、相對滑動速度愈大的地方，愈容易發(fā)生膠合。 有些低速重載的重型齒輪傳動，由于齒面間的油膜遭到破壞，也會產(chǎn)生膠合失效。此時，齒面的瞬時溫度并無明顯提高，故稱為冷膠合。 5）塑性變形 塑性變形屬于齒輪永久變形之一大類的失效形式，它是由于在過大的應(yīng)力作用下，齒輪材料處于屈服狀態(tài)而產(chǎn)生的齒面或齒體塑性流動所形成的。塑性變形一般發(fā)生在硬度低的齒輪上；但在重載作用下，硬度高的齒輪上也會出現(xiàn)。 塑性變形又分為滾壓塑變和錘擊塑變。 滾壓塑變是由于齒輪的相互滾壓與滾動而引起的材料塑性流動所形成的。由于材料的塑性流動方向和齒面上所受的摩擦力方向一致，所以主動輪的輪齒上沿相對滑動速度為零的節(jié)線處將被碾出溝槽，而在從動輪的輪齒上則在節(jié)線處被套擠出脊棱，這種現(xiàn)象稱為滾壓塑變。錘擊塑變則是伴有過大的沖擊而產(chǎn)生的塑性變形，它的特征是在齒面上出現(xiàn)淺的溝槽，溝槽取向與嚙合齒輪的接觸線相一致。 齒輪的失效形式 [4]很多，除了上述五種主要形式以外，還可能出現(xiàn)過熱、侵蝕、電蝕和由于不同原因產(chǎn)生的多種腐蝕與裂紋等等。 改進措施 1）齒輪折斷 [5]，（ 1）可以用增大齒根過渡圓角半徑及消除加工刀痕的方法來減小齒根應(yīng)力集中（ 2）增大軸及支承的剛性，使輪齒接觸線上受載較為均勻（ 3）采用合理的熱處理方法使齒芯部具有足夠的韌性（ 4）采用噴丸、液壓等工藝措施對齒根表層進行強化處理。通過上述方法可以防止輪齒折斷，提高齒輪的使用壽命。 2）齒面磨損，采用閉式傳動，提高齒面光潔度和保持良好的潤滑可以防止或減輕這種磨損，保證齒輪傳動的穩(wěn)定。 3）齒面點蝕，齒面抗點蝕能力主要與齒面硬度有關(guān)，齒面硬度越高，抗擊點蝕能力也越強。我們可以通過對齒面接觸疲勞強度的計算，以便采取措施以 避免齒面的點蝕；也可以通過提高齒面硬度和光潔度，提高潤滑油粘度并加入添加劑、減少動載荷等措施提高齒面接觸強度。 4）齒面膠合，通過提高齒面硬度和光潔度能增強抗膠合能力，低速傳動采用粘度較大的潤滑油；高速傳動采用含抗膠合添加劑的潤滑油，對抗膠合也很有效。 5）塑性變形，可以通過提高輪齒齒面硬度，采用高粘度的或加有添加劑的潤滑油均能有助于減緩或防止輪齒產(chǎn)生塑性變形。 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 4 在實際的齒輪失效分析中，應(yīng)根據(jù)具體的失效形式和現(xiàn)場調(diào)查、檢測的結(jié)過來查明齒輪失效的直接原因，并提出相應(yīng)的改進措施。有些齒輪的失效并不是只有一種原因 ，而是幾種誘因綜合作用的結(jié)果。因此在失效分析時，要對影響齒輪失效的因素進行全面的分析和衡量，并作出科學(xué)、慎密的推斷，得到正確的分析結(jié)論，進一步改造齒輪，使齒輪高速穩(wěn)定的運行 [6]。 通過上述論述，對直齒圓柱齒輪進行有限元分析，可以很直觀看到，齒輪在受力情況下發(fā)生的變形和載荷不均勻、載荷過大時齒輪具體失效點。通過分析研究提出相應(yīng)措施加以改進。 本論文研究的主要內(nèi)容和特點 本論文研究的內(nèi)容是基于 Workbench 的直齒圓柱齒輪有限元分析問題，利用Workbench 軟件對直齒圓柱齒輪進行有限元分析，包括齒輪 平面靜力分析和齒輪接觸分析。在 Workbench 的材料數(shù)據(jù)庫添加齒輪的材料；利用 AutoCAD 建立給定參數(shù)的直齒圓柱齒輪的幾何模型、有限元模型，添加邊界條件進行求解。最后，通過應(yīng)力分布圖查看齒輪受力情況，通過變形圖查看齒輪在受力部位的變形。 具體研究內(nèi)容如下： （ 1）選擇齒輪的基本參數(shù)，利用 AutoCAD 2021 建立直齒圓柱齒輪的三維模型和直齒圓柱齒輪嚙合的三維模型，為下一步有限元分析提供實體模型。在 AutoCAD 三維圖形輸出時應(yīng)該將文件保存為 SAT 格式。 （ 2）利用 Workbench 軟件 對齒輪和嚙合齒輪 進行材料添加、網(wǎng)格劃分、施加載荷約束和邊界條件。在齒輪嚙合線上進行靜力分析，在嚙合齒輪接觸區(qū)域進行接觸應(yīng)力分析，通過分析得到應(yīng)力分布云圖、應(yīng)力曲線圖、總變形圖。 （ 3） 根據(jù)齒輪應(yīng)力分布云圖和變形圖，查看齒輪受力部位發(fā)生的變形。 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 5 2 有限元法介紹 有限元法 [7]作為數(shù)值計算方法中在工程分析領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的一種計算方法，它能夠進行結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體以及電磁場等學(xué)科的研究，在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)藥、輕工、地礦、 水利、日用家電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。有限元法自 20 世紀(jì)中葉以來，以其獨有的計算優(yōu)勢得到了廣泛地發(fā)展和應(yīng)用，已出現(xiàn)了不同的有限元算法并由此產(chǎn)生了一批非常成熟專業(yè)的商業(yè)有限元軟件，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元法將會在工程分析應(yīng)用中得到更廣泛的應(yīng)用。 有限單元法的發(fā)展及應(yīng)用 有限單元法是利用電子計算機進行數(shù)值模擬的方法，目前在工程技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛，有限元計算結(jié)果已成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計和性能分析的可靠依據(jù)。目前，有限元法廣泛應(yīng)用于求解航空、航天、機械 [8]、電子、船舶、土木、核工業(yè)、生物、能源、化 工、醫(yī)學(xué)及交通運輸?shù)缺姸囝I(lǐng)域的工程問題，特別是隨著計算機技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，有限單元法在解決問題的規(guī)模、范圍方面也已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。有限元分析技術(shù)可以實現(xiàn)： （ 1）發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品潛在的問題及先天缺陷，創(chuàng)造品質(zhì)優(yōu)異的產(chǎn)品。 （ 2）進行風(fēng)險評估與預(yù)測，提高產(chǎn)品和工程的可靠性，降低風(fēng)險。 （ 3）經(jīng)過對比分析計算，采用優(yōu)化設(shè)計方案，降低產(chǎn)品成本。 （ 4）縮短產(chǎn)品投向市場的時間。 （ 5）減少物理試驗次數(shù)，對大量情況進行快速有效模擬試驗分析。 （ 6）模擬不適合在原型