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    “S”形齒輪參數化設計及有限元分析

    發布于:2024-09-07 17:26
    有限元分析

          隨著現代工業中齒輪傳動向著高速、重載方向發展,傳統齒輪已經不能適應某些特殊場合的使用,于是不斷有新型齒輪被提出。2012年,李海翔等人提出了一種具有新型齒廓的“S”形齒輪,并做了力學特性分析。“S”形齒輪作為一種具有新型齒廓的齒輪,目前對其所作的研究甚少,針對此種情形,杭州那泰有限元分析公司采用了一種基于Pro/E的“S”形齒輪的參數化設計方法,快速建立“S”形齒輪模型;“S”形齒輪的齒廓曲線方程,結合三維參數化建模軟件Pro/E自身提供的笛卡爾坐標方程曲線以及實體化特征操作,構建“S”形齒輪的三維參數化模型。同時,為克服不同軟件之間數據交換間的局限性,提高有限元分析效率,直接利用Pro/E軟件集成的有限元分析模塊對其進行結構分析。然后,將“S”形齒輪與傳統漸開線齒輪進行接觸應力對比研究,以期為設計和使用提供參考。
          新型的“S”形齒輪綜合了傳統漸開線齒輪和雙圓弧齒輪的特點,其齒廓由兩凹凸相對的圓弧和中間連接圓弧的一段漸開線組合而成,形成“S”形狀。研究的“S”形齒輪的基本參數如表1所示。“S”形齒輪由于曲面復雜難以用常規二維視圖表達,在“S”形齒輪齒廓曲線方程的基礎上,借助三維造型軟件Pro/E5.0進行參數化設計,編寫曲線程序驅動生成曲線。
          (1)建立凹圓弧部分方程
          新建.prt文件,打開Pro/E三維繪圖軟件,新建→零件→實體,建立文件。
          繪制廓面曲線,曲線→從方程→完成,此時彈出【菜單管理器】,并提示選取坐標,點取桌面上的坐標后,再在【菜單管理器】中選取【笛卡爾】,然后在彈出的記事本中輸入繪圖程序。
          (2)建立凸圓弧部分方程
          方法步驟與凹圓弧部分曲線一樣,在笛卡爾坐標系中輸入部分凸圓弧參數方程程序。
          (3)建立漸開線部分方程
          同理,在笛卡爾坐標系中輸入部分漸開線參數方程。
          利用Pro/E5.0強大的曲面造型功能,通過編寫曲線程序驅動生成的曲線生成“S”形齒輪的工作曲面,再利用掃描混合命令實體化,最后通過陣列命令生成“S”形齒輪,如圖1所示。建立后的齒輪模型已經參數化,通過更改基本參數,可以快速生成需要的“S”形齒輪。
          采用Pro/E5.0集成的有限元模塊Pro/MECHANI-CA對“S”形齒輪進行力學特性分析。Pro/MECHAN-ICA環境下可以創建模型、分析模型、并優化模型,該種模式下面又包含軟件自帶模式和FEM(Finite Ele-mentMode)。在此主要是利用自帶模式完成“S”形齒輪的輪廓的靜態分析、模態分析和失穩分析。
          根據圣維南定理,由于載荷在輪體徑向的影響范圍大致為一個齒高2m~3m(m為輪齒的模數) ,周向的影響范圍約為三個齒,在超出這個范圍后,應力就變得很小,對兩側齒之間各節點位移的影響非常小。因此,取相鄰齒廓的中線作為零位移邊界,采用Pro/E5.0集成的有限元模塊Pro/MECHANICA的自帶模式劃分網格。為了更好地研究“S”形齒輪的分析結果,需同時完成漸開線齒輪的分析并進行對比。為使結果具有可比性,取“S”形齒輪、漸開線斜齒輪大齒輪和小齒輪齒數分別為30和8,齒厚、齒寬以及外載荷均相同。由于現階段對傳統漸開線齒輪的分析研究已比較成熟,漸開線齒輪的建模過程略。


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