搜索塑料蝸輪傳動嚙合性能有限元分析
2013-06-13 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
通過SolidWorks建立塑料蝸輪與鋼制蝸桿傳動模型,使用MSC. Patran/Nastran有限元分析工具,計算得到嚙合區溫度在100℃下塑料蝸輪齒嚙合的應力變形分布規律,并用插值分析方法得到塑料蝸輪在不同工況下的擬合曲線,得出了塑料蝸輪在本體溫度場下的傳動力學性能,為此類傳動的設計制造提供有價值的參考。
塑料蝸輪與鋼制蝸桿傳動是將蝸輪材料用塑料代替傳統金屬的蝸桿傳動機構。由于塑料齒輪加工經濟性好、而且傳動平穩、吸振降噪、質量輕、耐磨、自潤滑等優點,所以在汽車座椅、家電設備等輕動力傳輸中得到了廣泛應用。在傳動過程中,因為塑料比碳鋼的彈性模量低,蝸輪受載后呈局部區域接觸。整個傳動磨損幾乎都在塑料蝸輪上,嚙合區的摩擦熱也會迅速上升,直接影響了塑料蝸輪的使用壽命。并且塑料蝸輪強度低、易變形、導熱與耐熱性差等缺點,所產生的熱量不易排除,所以塑料蝸輪的失效溫度占主導地位。因此,研究塑料蝸輪嚙合區溫度對嚙合性能影響就非常重要,本文通過SolidWorks建立的傳動模型,利用MSC. Patran/Nastran有限元軟件分析在傳動中嚙合溫度達到平衡后,塑料蝸輪齒廓的變形應力情況。并與嚙合溫度為常溫的工況進行比較。
1建立傳動模型及有限元前處理
依據蝸輪蝸桿的基本參數與結構尺寸(見表1),利用SolidWorks生成蝸輪蝸桿傳動模型。導人MSC. Patran/Nastran中,如圖1所示。
為了完全反應齒輪在周期運動過程中的齒輪嚙合情況,必須建立蝸輪蝸桿傳動過程中的各個位置模型。隨著蝸桿旋轉,輪齒上接觸區的位置是呈周期性變化的。其周期為9°,塑料蝸輪每旋轉9°,則需要蝸桿旋轉一周。將蝸輪蝸桿嚙合位置分為6個位置(見表2).
設置蝸輪蝸桿材料屬性分別為聚甲醛塑料(POM)和合金鋼16MnCr5。網格劃分采用于動劃分六面體網格,為提高接觸面處的精確性,對輪齒嚙合部分進行網格細化。節點總數為160 023,單元總數為141 168,節點自由度總數為852 152。蝸輪蝸桿材料物理性能參數和熱力學系數(見表3、表4)。
設置邊界條件。由實驗所測得的蝸輪蝸桿加載后,嚙合區溫度達到平衡,嚙合溫度為100℃,建立蝸輪蝸桿的本體溫度場(如圖2所示),為蝸輪有限元結構分析提供溫度場邊界條件,由圖2可知嚙合區域溫度為100℃;將蝸輪設置為固定;在蝸桿兩端設置軸承支座,僅允許蝸桿軸向的移動與轉動;設置作用于蝸桿的外載荷力,在蝸桿左端面設定軸向方向的推力;接觸類型將蝸輪與蝸桿接觸齒對設為接觸組,并定義蝸輪接觸類型為GAP。并且設定蝸輪的最大載菏為30 N·m。
2計算結果與分析
2.1計算結果及處理
數值計算可得到嚙合溫度在100 ℃、任何載荷下應力云圖。圖3所示為嚙合溫度在100℃、50%載荷下的變形應力云圖。
塑料蝸輪與鋼制蝸桿在6個嚙合位置,外載荷力從10%載荷逐步增加到100 %下,記參與嚙合塑料蝸輪的5個輪齒從左往右,分別為齒1至齒5,通過數值插值分析方法形成曲線如圖4所示。
由計算數據得出塑料蝸輪與鋼制蝸桿傳動在100℃嚙合溫度和在常溫下塑料蝸輪各齒的變形與應力比較曲線(如圖5所示),分別模擬了齒輪在10%,50%、和100%載荷下受溫度的影響情況。
據表2可知蝸輪蝸桿在不同嚙合位置的角度關系。并隨著載荷從10%上升至100%,可以確定塑料蝸輪在整個載荷變化過程中,其應力與變形的情況。同樣采用數值插值分析方法,可以近似確定蝸輪蝸桿在任一嚙合位置,任一載荷范圍內,塑料蝸輪的應力值以及變形量(見圖6-8所示)。
2.2結果分析
1)塑料蝸輪與鋼制蝸桿在嚙合溫度100℃下,在變形云圖3上可以明顯看出,載荷下齒廓的接觸區域為橢圓形區域,這與常溫下情況相同。表明齒輪在本體溫度場下,塑料蝸輪鋼制蝸桿傳動也遵循赫茲接觸理論,觸理論,即:當兩個光滑曲面接觸時,在接觸點附近可近似處理成兩個拋物曲面接觸。施加載荷后,在接觸點處形成一個接觸橢圓區域。
2)在10%載荷到40%載荷下,由于塑料材料具有戮彈性的特性,塑料蝸輪齒頂易產生接觸破壞,其超過了極限應力值103 MPa。并且載荷主要集中在塑料輪齒2、齒3和齒4,隨著蝸輪嚙合位置的不同,輪齒的載荷分布比例也發生變化;當載荷大于12 N·m時一(大于40%載荷),輪齒5或齒1也進人嚙合狀態。由圖5中的齒3可知,在塑料蝸輪接觸齒廓發生接觸破壞之后,即接觸應力大于材料極限應力,則隨著載荷的進一步增大,在該接觸處的最大應力會出現下降。
3)比較蝸輪在100℃嚙合溫度和常溫下分析的有限元結構分析結果,塑料蝸輪最大應力變化極小,而對塑料蝸輪的嚙合齒面最大變形量增加了5%。
4)從圖6至圖8可得,由于塑料蝸輪材料較低的彈性模量,在蝸輪嚙合過程中易發生接觸破壞,從而該齒廓上產生塑性變形,隨著載荷的增加,輪齒由點嚙合變化為多對齒嚙合,重合度和接觸區域面積的增加,使得齒廓變形與承載能力趨于平衡。
3結束語
通過對塑料蝸輪與鋼制蝸桿傳動嚙合的數值模擬,研究得到了在兩種溫度場下塑料齒輪傳動嚙合的力學性能優缺點。為此類傳動的設計制造提供有價值的參考。
相關標簽搜索：塑料蝸輪傳動嚙合性能有限元分析 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 Ansys培訓 Abaqus培訓 Autoform培訓 有限元培訓 Solidworks培訓 UG模具培訓 PROE培訓 運動仿真
