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1、 陕西理工学院毕业论文（设计）第1章 绪论1.1 引言随着齿轮向高速、重载、低噪、高可靠性方向的发展, 对齿轮传动的静、动态特性提出了更高的要求。计算技术和计算机的迅速发展与广泛应用, 为齿轮强度有限元分析提供了强有力的工具。国内外在轮齿弯曲应力与变形研究方向作了不少有益的工作, 但是在以往关于齿根应力的研究中, 主要存在以下局限性:1) 在轮齿加载时, 虽然考虑了齿轮啮合过程中随着啮合点的变化, 齿间载荷的分配问题, 但齿间载荷分配一般按照经验公式来选取, 且大多没有考虑啮合过程中, 随着啮合点的移动, 轮齿啮合刚度变化的影响;2) 加载点的位置过于稀散, 不能真实、完整地反映轮齿在一个啮合
2、周期内齿根应力与加载点变形的规律。为了真实而形象地模拟齿轮啮合过程中齿根弯曲应力的变化, 必须建立一对齿轮的啮合的有限元模型, 利用啮合轮齿间的接触单元传递相互作用力, 避免按照经验公式选取齿间载荷分配, 并可同时考虑轮齿啮合刚度的影响,且在有限元分析过程中可以考虑摩擦的影响。 随着计算机技术的发展, 有限元法提供了计算齿根应力的一种新的方法和手段, 避免了以往分析齿根应力时,将轮齿作为悬臂梁计算的误差;并且不需事先做出最大应力位置等假设, 也无需用一系列系数来考虑齿形及应力集中等因素的影响, 从而能较准确地反映齿根应力的分布形态。对于一对直齿圆柱齿轮, 通常其重合度大于1小于2 ,齿轮在啮合
3、过程中存在着单、双齿交替啮合的现象。由于齿轮并非刚体, 载荷在参与啮合的轮齿间并非平均分配,引起齿轮各对轮齿间的相互作用力的变化。同时,随着啮合位置的移动,轮齿间作用力对齿根的力臂大小也相应变化, 从而造成了轮齿在啮合过程中齿根应力相应变化。高速、重载硬齿面齿轮的发展,对于齿轮的振动和冲击研究尤为迫切,啮合过程中齿根应力的变化一直是研究的重点课题。1988 年,V. RAMAMURTI 等利用循环对称的概念计算了齿根应力随时间的变化。1993 年,S. VIJAYRANGAN 等取齿轮的一个轮齿计算了冲击和移动载荷下齿根应力随时间的变化。2001年,徐步青等研究了整个齿轮在移动载荷作用下齿轮齿
4、根应力的变化。在上述有限元模型中, 虽然考虑了齿轮啮合过程中随着啮合点的变化,齿间载荷的分配问题,但齿间载荷分配一般按照经验公式来选取, 且大多没有考虑啮合过程中, 随啮合点的移动, 轮齿啮合刚度变化的影响。为真实而形象地模拟齿轮啮合过程中齿根弯曲应力的变化,必须建立一对齿轮的啮合的有限元模型 ,利用啮合轮齿间的接触单元传递相互作用力, 避免按照经验公式选取齿间载荷分配, 并可同时考虑轮齿啮合刚度的影响,且在有限元分析过程中可以考虑摩擦的影响。这种方法的主要缺点是由于接触问题具有高度非线性,求解工作量大,动态模拟齿轮啮合过程中齿根应力的变化时,计算时间更加漫长,一般简化为二维平面问题。对于三维
5、问题, 大多采用子结构方法求解,以提高计算效率。本文运用ANSYS 软件,建立一对直齿圆柱齿轮啮合的平面有限元模型,在小齿轮(主动齿轮) 和大齿轮(从动齿轮) 间设置接触单元, 以考虑齿间摩擦和齿间滑移的影响。通过小轮的连续转动, 带动大齿轮运转,动态地仿真齿轮啮合过程,分析啮合过程中齿根应力的变化。1.2有限元法在应力研究中的国内外发展状况 有限元法的基本思想最早出现于20世纪40年代初期，但是直到1960年，美国的克拉夫（Clough.R.W）在一篇论文中首次实用“有限元”这个名词。在20世纪60年代末70年代初，有限元在理论上已基本成熟，并开始用于商业化的有限元分析软件。 有限元的出现与
6、发展有着深刻的工程背景。20世纪40-50年代，美，英等国的飞机制造业有了很大的幅度提高与发展。随着飞机结构的逐渐变化，准确了解了飞机的静态和动态特性越来迫切，但是传统的的分析方法已经不能满足着急得需要，因此工程设计人员便开始寻找一种更为适合的分析方法，于是出现了有限元的思想。 有限元的基本思想讲连续的结构离散成有限个单元，并在每一个单元中这顶有限个节点，将连续体看作是只在节点处相连的一组单元集合体，同时选定函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元假设一近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律，进而利用力学中的某些分辨原理区建立以求节点未知量的有限元方程，从而将一个连续中的无限自由化为离散域中
7、的有限自由问题。已经求解就可利用方程所得节点和设定的插值函数确定单元以上以至整个集合体上的场函数。 由于有限元可以设定成不同的几何形状，因而可灵活的模拟和和复杂的求解域。显然，如果插值函数满足这一要求，随着单元数目增加，解得精度就会不断的提高而最终收敛于问题的精确解。虽然从理论上来说，无限制的增加单元数目，可以是数值分析最终收敛于问题的精确解，但这却增加了计算机所耗的时间。在实际中，只要所得的数据能够满足工程需要就足够了。因此，有限元的基本策略就是在分析精度和分析时间上找到平衡点。1.3本文研究意义及内容 本此研究利用Pro/ENGINEER强大的三维实体造型功能，建立复杂的人字齿轮三维模型，
8、同时将模型导入ABSYS中，形成相应的三维有限元模型，对齿根应力进行有限元分析，得出了齿根应力等值曲线分布图，为人字形齿轮的精确设计提供可靠的理论依据和可行方法。第2章 人字形齿轮的画法2.1 Pro/e的简介：1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988年，V1.0的ro/ENGINEER诞生了。经过10余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了Pro/ENGINEER2000i2。PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/ENGINEER
9、还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。下面就Pro/ENGINEER的特点及主要模块进行简单的介绍。2.1.1主要特性全相关性：Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。基于特征的参数化造型：Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修
10、改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。装配管理：Pro/ENGINEER的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合
11、”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。易于使用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。 2.1.2 proe的历届版本：proe 2001 proe 2000i proe 2000i-2 proe 2001 proe 2003 proe wildfire proe wildfire 2.0 proe wildfire 3.0 proe wildfire 4.0 proe wildfire 5.0当
12、然,其中每个版本中间还会有一些小细节的改动版.pore是做模具设计最好的软件，是三维建模的领头羊。在中国使用的PROE软件都是汉化的，存在很多漏洞、待进一步修复及加强Pro/Engineer是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。 PRO/ENGINEER软件包的产品开发环境在支持并行工作，它通过一系列完全相关的模块表述产品的外形、装配及其他功能。PRO/E能够让多个部门同时致力于单一的产品模型。包括对大型项目的装配体管理、功能仿真、制造、数据管理等(一) 工业设计(CAID)模块 工业设计模块主要用于对产品进行
13、几何设计，以前，在零件未制造出时，是无法观看零件形状的，只能通过二维平面图进行想象。现在，用3DS可以生成实体模型，但用3DS生成的模型在工程实际中是“中看不中用”。用PRO/E生成的实体建模，不仅中看，而且相当管用。事实上，PRO/E后阶段的各个工作数据的产生都要依赖于实体建模所生成的数据。 包括： PRO/3DPAINT(3D建模)、 PRO/ANIMATE(动画模拟)、 PRO/DESIGNER(概念设计)、PRO/NETWORKANIMATOR(网络动画合成)、PRO/PERSPECTA-SKETCH（图片转三维模型）、PRO/PHOTORENDER(图片渲染)几个子模块。 (二) 机
14、械设计(CAD)模块 机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具，它可绘制任意复杂形状的零件。在实际中存在大量形状不规则的物体表面，如图1中的摩托车轮轱，这些称为自由曲面。随着人们生活水平的提高，对曲面产品的需求将会大大增加。用 PRO/E生成曲面仅需2步3步*作。PRO/E生成曲面的方法有：拉伸、旋转、放样、扫掠、网格、点阵等。由于生成曲面的方法较多，因此PRO/E可以迅速建立任何复杂曲面。 它既能作为高性能系统独立使用，又能与其它实体建模模块结合起来使用，它支持GB、ANSI、ISO和JIS等标准。包括：PRO/ASSEMBLY（实体装配）、PRO/CABLING（电路设计）、PRO/PIP
15、ING（弯管铺设）、PRO/REPORT（应用数据图形显示）、PRO/SCAN-TOOLS（物理模型数字化）、PRO/SURFACE（曲面设计）、PRO/WELDING（焊接设计） (三) 功能仿真(CAE)模块 功能仿真(CAE)模块主要进行有限元分析。我们中国有句古话：“画虎画皮难画骨，知人知面不知心”。主要是讲事物内在特征很难把握。机械零件的内部变化情况是难以知晓的。有限元仿真使我们有了一双慧眼，能“看到”零件内部的受力状态。利用该功能，在满足零件受力要求的基础上，便可充分优化零件的设计。著名的可口可乐公司，利用有限元仿真，分析其饮料瓶，结果使瓶体质量减轻了近20，而其功能丝毫不受影响，
16、仅此一项就取得了极大的经济效益。 包括：PRO/FEMPOST（有限元分析）、PRO/MECHANICA CUSTOMLOADS（自定义载荷输入）、PRO/MECHANICA EQUATIONS（第三方仿真程序连接）、PRO/MECHANICA MOTION（指定环境下的装配体运动分析）、PRO/MECHANICA THERMAL（热分析）、PRO/MECHANICA TIRE MODEL（车轮动力仿真）、PRO/MECHANICA VIBRATION（震动分析）、PRO/MESH （有限元网格划分）。 (四) 制造(CAM)模块 在机械行业中用到的 CAM制造模块中的功能是NC Machining(数控加工)。说到数控功能，就不能不提八十年代著名的“东芝事件”。当时，苏联从日本东芝公司引进了一
