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1、研究设计l:2008-05-27Te:邓小雷(1981-),男,浙江衢州人,硕士研究生,主要研究领域为现代制造业信息化技术。pKsl,x,y,(浙江工业大学浙西分校机电控制系,浙江衢州324000)K1:KZEMs0Y(UHMWPE)JfiJfps,ANSYSpsZE,#f/p。采用了符合实际啮合情况的接触模型与裂纹模型,首先得到了在正常工作情况下齿轮最容易发生疲劳处的节点应力,然后通过输入S-N曲线,并采用Miner疲劳积累理论对应力最大处的节点进行疲劳分析。ANSYS疲劳分析结果表明:熔接痕缺陷的位置对该材料齿轮的疲劳寿命有较大影响。1oM:工程塑料;有限元法;齿轮;疲劳;熔接痕ms|:T
2、P391.7DS:AcI|:1005-2895(2008)06-0044-04FiniteElementAnalysisofEngineeringPlasticsGearFatigueLifeDENGXiao-lei,ZHOUZhao-zhong,WANGJian-ping,WUMing-ming(DepartmentofMechanicalandElectronicControlEngineering, TheWestBranchofZhejiangUniversityofTechnology;Quzhou324000,China)Abstract:Thefiniteelementmetho
3、dwasusedintheanalysisofthefatiguelifeofultra-highmolecularweightpolyethylene(UHMWPE)engineeringplasticsgearwithoutflawsorwithdiferentlevelsofthedefectiveweldmarks.ThemethodsofusingANSYStoanalyzethefatiguelifehadbeenobtained.Byusingtheactualcontactmodelandthecrackmodel,firstly, thenodestresswhichwasa
4、pttofatigueundernormalworkingconditionhadbeenfoundout.AndthenthefatiguelifeofthemaxiumstressnodehadbeenanalyzedbyimportingS-NcurveandusingMineraccumulatedfatiguetheory.ANSYSfatigueanalysisshowedthatthelocationofmeldingdefectshasgreatlyinflunceonthefatiguelifeofthegear.Keywords:engineeringplastics;FE
5、M(finiteelementmothod);gear;fatigue;weldmarks1疲劳是一种十分有趣的现象,当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后,应力值虽然始终没有超过材料的强度极限,甚至比屈服极限还低的情况下就可能发生破坏,这种在交变载荷重复作用下材料或结构的破坏现象就叫做疲劳破坏1 。如图 1所示,F表示齿轮啮合时作用于齿轮上的力。齿轮每旋转一周,轮齿啮合一次。啮合时,F由零迅速增加到最大值,然后又减小为零。因此,齿根处的弯曲应力也由零迅速增加到某一最大值再减小为零。此过程随着齿轮的转动也不停的重复。应力 随时间t的变化曲线如图 2所示。在现代工业中,很多零件和构件都是承受着
6、交变载荷作用,工程塑料齿轮就是其中的典型零件。工程塑料齿轮因其质量小、自润滑、吸振好、噪声低等优点在纺织、印染、造纸和食品等传动载荷适中的轻工机械中应用很广。图 1齿轮啮合时受力情况疲劳破坏与传统的静力破坏有着许多明显的本质差别:第 26卷第 6期2008年 12月 LightIndustryMachinery Vol.26No.6Dec.2008 图 2齿根应力随时间变化曲线1)静力破坏是一次最大载荷作用下的破坏;疲劳被坏是多次反复载荷作用下产生的破坏,它不是短期内发生的,而是要经历一定的时间。2)当静应力小于屈服极限或强度极限时,不会发生静力破坏;而交变应力在远小于静强度极限,甚至小于屈服
7、极限的情况下,疲劳破坏就可能发生。3)静力破坏通常有明显的塑性变形产生;疲劳破坏通常没有外在宏观的显著塑性变形迹象,事先不易觉察出来,这就表明疲劳破坏具有更大的危险性。工程塑料齿轮的疲劳寿命,是设计人员十分关注的课题,也是与实际生产紧密相关的问题。然而,在疲劳载荷作用下的疲劳寿命计算十分复杂。因为要计算疲劳寿命,必须有精确的载荷谱,材料特性或构件的S-N曲线,合适的累积损伤理论,合适的裂纹扩展理论等 2-4 。本文对工程塑料齿轮疲劳分析的最终目的,就是要确定其在各种质量情况下的疲劳寿命。通过利用有限元方法和CAE软件对工程塑料齿轮的疲劳寿命进行分析研究有一定工程价值。2超高分子量聚乙烯(UHM
8、WPE)是一种综合性能优异的新型热塑性工程塑料, 它的分子结构与普通聚乙烯(PE)完全相同, 但相对分子质量可达(1 4)106。随着相对分子质量的大幅度升高,UHMWPE表现出普通PE所不具备的优异性能,如耐磨性、耐冲击性、低摩擦系数、耐化学性和消音性等 5。UHMWPE耐磨性居工程塑料之首,比尼龙 66(PA66)高 4倍,是碳钢、不锈钢的 78倍。摩擦因数仅为 0.070.11,具有自润滑性,不粘附性 6。因此,本文选用 UHMWPE作为工程塑料齿轮材料进行研究。UHMWPE性能见表 1。由于 UHMWPE导热性能较差,所以与其啮合的齿轮选用钢材料。这样导热性好、摩损小,并能弥补工程塑料
9、齿轮精度不高的缺点。2啮合齿轮均为标准直齿圆柱齿轮,参数为:UHMWPE齿轮齿数 30,钢齿轮齿数 20,模数 4 mm,齿宽 20mm,压力角取为 20。表 1超高相对分子质量聚乙烯性能材料名称冲击强度/(kgm-2)吸水率/%磨损量/mg(载荷 9.8N周期 103)对钢的摩擦因素UHMWPE 1.4 PreprocessorModelingCreateContactPair)进入接触向导,来建立目标面接触面的“接触对”。也可以采用其他途径建立接触对,这属于 ANSYS基本操作,本文不再详述。接触对建立完成后进入静强度求解过程,主动齿轮为钢齿轮,传递力矩为 6 Nm,ANSYS计算所得UH
10、MWPE材料齿轮齿根处的应力如图 4所示。从应力云图中可以看出:最大应力发生在 UHMWPE材料齿轮齿根处,节点号为:2279,应力值为:32.1MPa。图 4UHMWPE材料齿轮齿根处应力云图工程塑料齿轮ANSYS疲劳分析的步骤为 9:首先进入后处理POST1,恢复数据库,然后提取齿根最大弯曲应力处的节点应力并将其储存,并确定重复次数,最后采用 Miner疲劳积累理论计算疲劳寿命并查看结果。UHMWPE材料齿轮疲劳寿命预测需要的较关键疲劳性质是材料的 S-N曲线,所研究的 UHMWPE材料的S-N曲线如图 5所示。图 5UHMWPE材料S-N曲线疲劳分析结果如图 6所示。可见在文中所设定工作
11、载荷下,该 UHMWPE材料齿轮轮齿的疲劳寿命为132 800次,累计疲劳系数为 0.753 01。图 6无缺陷UHMWPE材料齿轮疲劳计算结果4.2齿间存在熔接痕时 UHMWPE材料齿轮的疲劳寿命分析UHMWPE材料齿轮注塑工艺复杂,工艺控制不当很容易产生熔接痕等注塑缺陷。因此,对存在熔接痕缺陷的UHMWPE材料齿轮进行分析,可以确定该缺陷的不同位置对齿轮疲劳破坏的影响程度。这对工程塑料齿轮的注塑工艺,浇口位置安排等都有一定的指导意义。在利用ANSYS分析存在熔接痕缺陷的工程塑料齿轮时,将熔接痕等效为型裂纹问题,并采用KSCON命令 (MainMenuPreprocessorMesh-图 7
12、齿间熔接痕尺寸），使 ANSYS自动围绕熔接痕尖端关键点生成奇异单元,然后进行分析求解。假设在两轮齿间存在一条长为 1.5 mm的熔接痕,熔接痕位置和尺寸如图 7所示。图 8齿间存在缺陷UHMWPE材料疲劳计算结果疲劳分析结果如图 8所示。结果显示:在齿间存在较小熔接痕缺陷情况下,UHMWPE材料齿轮轮齿的疲劳寿命为 124 600次,累计疲劳系数为 0.802 57。疲劳产生的位置仍未齿根处。可见,齿间存在较小熔46 LightIndustryMachinery 2008年第 6期接痕缺陷情况下,缺陷对 UHMWPE齿轮疲劳寿命无较大影响。4.3齿根存在熔接痕时 UHMWPE材料齿轮的疲劳寿
13、命分析假设在齿根处存在一条长为 1.5 mm的熔接痕,熔接痕位置和尺寸如图 9所示。图 9齿根熔接痕尺寸疲劳分析结果为:疲劳破坏发生在熔接痕尖端,如图 10所示。齿轮轮齿的疲劳寿命仅为 5 631次。可见,在齿根存在较小熔接痕缺陷情况下齿轮很快进入疲劳并断裂破坏。5Z1)采用 ANSYS有限元技图 10疲劳破坏发生位置术可以计算复杂边界条件下的疲劳问题,对工程塑料齿轮的疲劳寿命的确定有一定价值。2)通过ANSYS分析得出:所研究的UHMWPE材料齿轮在无缺陷情况下的疲劳寿命远高于齿根存在熔接痕情况下的寿命。3)当熔接痕靠近 UHMWPE材料齿轮齿根处时,加载后轮齿很快进入疲劳并断裂,因此需要对
14、注塑工艺进行优化,避免在齿轮齿根处出现熔接痕。4)很多性能优异的工程塑料均可用作为中等载荷的齿轮材料,例如POM, PA66等,利用有限元方法校核其疲劳寿命会加快设计速度,同时也提高了可靠性。ID: 1陈传晓.疲劳与断裂M.武汉:华中科技大学出版社, 2002. 2WOODSJL, DANIEWICZSR, NELLUMSR.Increasingtheben-dingfatiguestrengthofcarburizedspurgearteethbypresetingJ.InternationalJournalofFatigue, 1999, 21(6):549-556. 3MARKWD, R
15、EAGORCP, MCPHERSONDR.Assessingtheroleofplasticdeformationingear-healthmonitoringbyprecisionmeasure-mentoffailedgearsJ.MechanicalSystemsandSignalProcessing,2007, 21(1):177-192. 4钱学毅.销齿副齿轮的抗疲劳设计J.轻工机械, 2007, 25(3):71-73. 5吴敏,张林,纪洪波.UHMWPE的物理改性研究进展及其加工成型工艺J.石化技术, 2007, 14(1):60-64.6樊新民,车剑飞.工程塑料及其应用M.北京:机械工业出版社,2006. 7郑文纬,吴克坚.机械原理M.北京:高等教育出版社, 1995. 8
