【導(dǎo)讀】本課題是設(shè)計(jì)型課題，設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是基于ANSYS非圓斜齒輪嚙合熱特性分析。出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)疲勞和彎曲疲勞。運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)齒輪齒根應(yīng)力和齒輪接觸進(jìn)行。分析計(jì)算,得出兩個(gè)大小齒輪的接觸溫度分布云圖。接觸熱分析和強(qiáng)度校核提供了快速有效的方法。在應(yīng)用大型有限元ANSYS分析軟件時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注齒輪嚙合出受載變形，重合度變化，傳動(dòng)比變化。本文介紹了ANSYS接觸分析。說(shuō)明了有限元分析在齒輪接觸問(wèn)題上的有效性。Keywords：Non-CircularHelical；ANSYS；FiniteElement；ContactPair；Heatcharacter

　　

【正文】 線生成 選擇工具欄上【工具】 /【表達(dá)式】，在彈出的【表達(dá)式】對(duì)話框中輸入表達(dá)式和變量，如圖 31 所示。在曲線工具條中選擇規(guī)律曲線命令，在彈出的【規(guī)律函數(shù)】對(duì)話框中選擇【根據(jù)方程】，在隨后出現(xiàn)的對(duì)話框中連續(xù)單擊三次【 確定】，接受默認(rèn)，以 t 為系統(tǒng)直接變量， x t 為坐標(biāo) x 的變量， y t 為 y 的變量， z t 為坐標(biāo) z 的變量。這樣由參數(shù)方程確定的凸輪曲線就繪制出來(lái)了。 圖 31 齒輪輪廓漸開(kāi)線參數(shù)化生成 齒輪 模數(shù) Mn 齒數(shù) Z 壓力角 Alpha 螺旋角 Beta 齒寬 B 齒頂高系數(shù) ha 頂隙系數(shù) CX 偏心率 齒輪 1 8 33 20 14 齒輪 2 06 33 7 15 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 （ 2）三維實(shí)體造型 首先設(shè)置工作界面為俯視圖，單擊曲線工具條中的基本曲線圖標(biāo) ，選擇圓，分別以坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心，以 r a， r， r f 為半徑生成齒頂圓、分度圓以及齒根圓，如圖 32所示。 單擊曲線工具條中的直線命令，在坐標(biāo)原點(diǎn)和分度圓與漸開(kāi)線的交點(diǎn)之間創(chuàng)建一條直線 1，選擇【編輯】 /【變換】，在彈出的類(lèi)型對(duì)話框選擇直線 1，單擊【確定】按鈕，在彈出的變換對(duì)話框中，選擇繞點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，以坐標(biāo)原點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度為360/33/4，如圖 33，即齒輪的 4 倍等分，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針，得到直線 2。 圖 32 創(chuàng)建齒頂圓 圖 33 變換操作界面 選擇【編輯】 /【變換】，在彈出的類(lèi)型對(duì)話框中，選擇漸開(kāi)線，單擊【確定】按鈕，在彈出的變換對(duì)話框中，選擇直線做 鏡像，選擇現(xiàn)有的直線 2 作為鏡像對(duì)稱(chēng)線，復(fù)制漸開(kāi)線，如圖 34 所示。 刪除直線 直線 2 以及分度圓，然后作漸開(kāi)線的延長(zhǎng)線至齒根圓，然后單擊編輯曲線工具條中的修剪曲線圖標(biāo) 。用兩條圓曲線對(duì)兩條漸開(kāi)線進(jìn)行裁減，并運(yùn)用圓角命令倒齒根圓，半徑為 ，得到齒槽輪廓線，如圖 35 所示。 圖 34 復(fù)制漸開(kāi)線 圖 35 生成齒槽輪廓線 在特征工具條中選擇 ，輸入數(shù)值得到圓柱體，如圖 36 所示。 拉伸齒槽輪廓線，與圓柱體做布爾運(yùn)算，得到單齒齒槽。 選擇【插入】 /【關(guān)聯(lián)復(fù)制】 /【實(shí)例特征】，在彈出的對(duì)話框中選擇圓形陣列，選擇單齒槽為陣列特征，設(shè)置實(shí)例參數(shù)為數(shù)量 33，角度 360/33，設(shè)置回轉(zhuǎn)軸為點(diǎn)和方向，在接下來(lái)的對(duì)話框中選擇 ZC 軸為矢量方向，以及構(gòu)造圓周陣列參數(shù)點(diǎn)（ 0,0,0），單擊【確定】按鈕，系統(tǒng)生成如圖 37 所示結(jié)果。 代小龍：基于 ANSYS 非圓斜齒輪嚙合熱特性分析 8 圖 36 創(chuàng)建圓柱體參數(shù)界面 圖 37 直齒輪模型建立 斜齒輪參數(shù)化建模與裝配 由于漸開(kāi)線斜齒輪端面齒廓形狀和直齒輪完全相同，因此，在圓柱體 端面上繪制出直齒輪輪廓后，將其沿斜齒輪螺旋線掃描切除，得到一個(gè)斜齒輪的齒槽特征，按照齒數(shù)陣列，就得到了斜齒輪造型。 選擇【插入】 /【曲線】 /【螺旋線】，在彈出的【螺旋線】對(duì)話框中設(shè)置參數(shù)，如圖38 所 示 ， 頂 圓 直 徑 為 276mm ， 頂 圓 螺 旋 角 設(shè) 為 度 ， 則 螺 距 為) n( ??? ，旋轉(zhuǎn)方式為右旋。選擇【插入】 /【掃掠】 /【沿導(dǎo)引線掃掠】，以齒槽輪廓線為界面，螺旋線為引導(dǎo)線， Z 軸為矢量方向，得到輪槽特征。選擇【編輯】/【變換】，選擇輪槽特征，以坐標(biāo)原點(diǎn)為基點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)復(fù)制 33 個(gè)輪槽特征，角度為 360/33.。選擇【插入】 /【組 合體】 /【求差】，目標(biāo)選擇圓柱體，工具選擇輪槽特征，得到斜齒輪造型，如圖 39 所示。 以同樣的方式建立左旋的斜齒輪如圖 310 所示。 圖 38 螺旋線生成 圖 39 左旋圓柱斜齒輪 圖 310 右旋圓柱斜齒輪 選擇【文件】 /【新建】，建立一個(gè)新模型文件，以文件名“ z p”保存該文件。在【開(kāi)始】菜單中選擇【裝配】，打開(kāi)裝配應(yīng)用模塊，開(kāi)始裝配。 選擇【插入】 /【組件】 /【添加組件】，插入斜齒輪。根據(jù)兩齒輪中心距公式，齒輪安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 1 與齒輪 2 的中心距為 M*（ Z1+Z2） =264mm，給兩斜齒輪基準(zhǔn)軸添加一個(gè)距離配合，選擇【距離】 進(jìn)行裝配，如圖 311 所示。 右擊齒輪 齒輪 2，選擇【替換引用集】 /【整個(gè)部件】，使齒輪 齒輪 2 顯示其草圖、基準(zhǔn)平面等所有對(duì)象。右擊齒輪 1，選擇【配對(duì)】，在彈出的配對(duì)對(duì)話框中選擇進(jìn)行【對(duì)齊】裝配，分別使兩齒輪端面和兩基準(zhǔn)面對(duì)齊，如圖 312 所示。兩基準(zhǔn)面的對(duì)齊保證了兩齒輪正確的嚙合狀態(tài)。 圖 311 裝配約束 圖 312 圓柱斜齒輪裝配模 型建立 代小龍：基于 ANSYS 非圓斜齒輪嚙合熱特性分析 10 第 4 章 ANSYS 圓柱斜齒輪熱分析 圓斜齒輪導(dǎo)入 ANSYS 界面 啟動(dòng) 打開(kāi)圓柱斜齒輪，選擇【文件】 /【導(dǎo)出】 /IGES 格式，在導(dǎo)出選項(xiàng)中選擇顯示部件，與此同時(shí)在定義導(dǎo)出文件的位置，本人選擇 D:\，單擊確定按鈕，如圖 41 所示。 打開(kāi) 工作界面，選擇 FileImportIGES 格式，出現(xiàn) Import IGES File對(duì)話框，在 IGES Import Option 中選擇 Defeature model 選 項(xiàng)，單擊 OK 按鈕。如圖 42所示。在（ AUX15） File to import 中選擇 IGES 所在文件位置，單擊 OK 按鈕，此時(shí)在 中將顯示一對(duì)裝配完全以及可以進(jìn)行修改的圓柱斜齒輪，如圖 43 所示 。 圖 41 UG 導(dǎo)出文件界面 圖 42 導(dǎo)入 ANSYS 零件修改界面 圖 43 斜齒輪實(shí)體模型導(dǎo)入 ANSYS （ 1） 定義 工作文件名 Utility MenuFileChange Jobname,在隨后的對(duì)話框中輸入工作文件名為“ Circular 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 Helical Gear” ，單擊 OK 按鈕。 （ 2） 定義題目 Utility MenuFileChange Title，在隨后出現(xiàn)的對(duì)話框中，輸入“ thermal analysis of Circular Helical Gear” ,單擊 OK 按鈕。 （ 3） 設(shè)置長(zhǎng)度單位 在命令提示行中輸入“ /UNITS,BIN” ,確定。 （ 4） 斜齒輪分析參數(shù) 表 41 斜齒輪的材料屬性 參數(shù) 材料 彈性模量 E 泊松比 μ 密度 ρ 齒輪 40Cr 206GPa 310 kg/ 3cm （ 5） ANSYS 熱特性分析參數(shù)列表如下 表 42 斜齒輪熱分析施加載荷參數(shù) 溫度 70 200 300 400 500 密度 7800 7800 7800 7800 7800 導(dǎo)熱系數(shù) 比熱容 對(duì)流系數(shù) 426 405 352 221 221 定義單元類(lèi)型 Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete，出現(xiàn)一個(gè)“ Element Type”對(duì)話框，單擊“ Add”又出現(xiàn)一個(gè)“ Library of Element Type”對(duì)話框，在左面的對(duì)話框中選擇“ Thermal Solid”，在右面的對(duì)話框中選擇“ Brick 20Node 90”，單擊 OK 按鈕，再單擊 Close 關(guān)閉對(duì)話框，如圖 44 所示。 圖 44 定義單元類(lèi)型 定義材料屬性 （ 1） 設(shè)置材料彈性模量和泊松比 代小龍：基于 ANSYS 非圓斜齒輪嚙合熱特性分析 12 從主菜單中選擇 PreprocessorMaterial PropsMaterial Models，如下圖所示依次雙擊StructuralLinearElasticIsotropic。在彈出的對(duì)話框中設(shè)置材料的彈性模量 EX=,泊松比 PRXY=。如下圖 45 所示。設(shè)置完畢后點(diǎn)擊【 OK】，回到材料屬性對(duì)話框界面。 圖 45 定義材料彈性模量和泊松比 （ 2） 定義摩擦系數(shù) 依次雙擊 StructuralFriction Coefficient，打開(kāi)材料摩擦系數(shù)對(duì)話框。如圖 46 所示，設(shè)置摩擦系數(shù)為 。完畢點(diǎn)擊【 OK】，并退出材料屬性設(shè)置對(duì)話框。 圖 46 定義摩擦系數(shù) （ 3）設(shè)置材料密度 Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models，出現(xiàn)一個(gè)“ Define Material Model Behavior”對(duì)話框，在右面的對(duì)話框中雙擊 Thermal，雙擊其下出現(xiàn)的“ Density” ,出現(xiàn)一個(gè) “ Density for Material Number 1” ,的對(duì)話框，在“ DENS”后面的輸入欄中輸入“ 7800” ,如圖 47 所示，然后單擊【 OK】按鈕，關(guān)閉該對(duì)話框。 圖 47 定義材料密度 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 （ 4）輸入導(dǎo)熱系數(shù) Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models，雙擊出現(xiàn)對(duì)話框中的“ Thermal” ,雙擊“ Conductivity” ,雙擊“ Isotropic” ,出現(xiàn)一個(gè)“ Conductivity for Material Number 1” ,對(duì)話框，連續(xù)單擊“ Add Temperature”四次，出現(xiàn)如圖 48 所示的對(duì)話框，然后在“ Te mp er a tur e”后面的五個(gè)輸入欄中輸入 5 個(gè)溫度值，在“ KXX” 中后面的五個(gè)輸入欄中輸入相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)值。為了保持單位的一致性，輸入欄中的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值均為表格中的數(shù)據(jù)除以 12 所得，再單 擊【 OK】 按鈕。 圖 48 輸入導(dǎo)熱系數(shù) （ 5）定義比熱容 在“ Define Material Model Behavior”對(duì)話框右面的輸入欄中，雙擊“ Specific heat” ，出現(xiàn)一個(gè) Specific heat for Material Number 1 話框，連續(xù)單擊 “ Add Temperature”四次，然后在“ Temperature”后面輸入五個(gè)溫度值，在“ C”后面的五個(gè)輸入欄中輸入與溫度對(duì)應(yīng)的比熱系數(shù)，單擊【 OK】 按鈕，結(jié)果如圖 49 所示。 圖 49 定義 比熱容 （ 6）輸入對(duì)流系數(shù) 在“ Define Material Model Behavior”對(duì)話框右面的輸入欄中，雙擊“ Convection or Film COEF” ,出現(xiàn)一個(gè)“ Convection or Film Coefficient for Material Number 1” 對(duì)話框，在“ Temperature”后面的輸入欄中按小到大的順序輸入五個(gè)溫度值，在“ HF”后面的五個(gè)欄中輸入與溫度相應(yīng)的對(duì)流系數(shù)，為了保持單位的一致性，輸入的每個(gè)對(duì)流系數(shù)均由表格中的數(shù)據(jù)除以 144 得到，單擊【 OK】 按鈕，結(jié)果如圖 410 所示。單擊“ MaterialEXIT”。 代小龍：基于 ANSYS 非圓斜齒輪嚙合熱特性分析 14 圖 410 輸入對(duì)流系數(shù) 劃分有限元網(wǎng)格 （ 1）設(shè)置單元尺寸 執(zhí)行 Main MenuPreprocessorMeshingSize ControlsManual SizeGlobalSize 命令，在彈出的一個(gè)【 Global Element Sizes】對(duì)話框。在【 Element edge length】文本框中輸入“ 5” ，單擊【 OK】，結(jié)果如圖 411 所示。 圖 411 設(shè)置單元尺寸 （ 2）采用智能網(wǎng)格劃分方式生成有限元網(wǎng)格 執(zhí)行 Main MenuPreprocessorMeshingMeshVolumesFree 命令，單擊智能劃分網(wǎng)格鍵【 Smart Size】，智能等級(jí)為“ 6”在彈