基于齿轮加工原理的精确建模及ANSYS有限元分析

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基于齿轮加工原理的精确建模及ANSYS有限元分析基于齿轮加工原理的精确建模及 ANSYS有限元分析
戴 进， 钟定铭
(湖南工业大学科技学院， 湖南株洲 412000)
收稿日期: 2007- 11- 15
摘要: 本文基于齿轮加工原理利用 Pro/E 的机构运动仿真功能精确构建出了齿轮模型， 然后利用 Pro/E 与 ANSYS的接口， 把所
建立的三维实体模型导入 ANSYS， 对齿轮在-定载荷条件下的应力分布状态进行了实例分析和研究。
关键词: 齿轮加工; ANSYS; 有限元; 仿真分析
中图分类号: TP391.7 文献标识码: A 文章编号: 1009- 9492 (2008) 04- 0077- 03
1 前言
齿轮是机械中最重要的零件之-， 它具有功率范围
大、传动效率高、传动比正确、使用寿命长等特点。但从
零件失效的情况来看， 齿轮也是最容易出故障的零件之
-， 据统计， 在各种机械故障中， 齿轮失效就占总数的
60%以上， 其中轮齿的折断又是齿轮失效的主要原因之-。
为此， 人们对齿轮强度及其应力分布进行了大量的分析研
究 [1]
。由于普通直齿轮的齿廓-般都为渐开线， 齿根过渡
曲线又随着加工方式的不同而不同。目前常见建模方法是
利用渐开线的形成特性确定方程式， 从而绘制出所需的齿
轮的渐开线齿廓， 而对于齿根过渡曲线也常常是通过复杂
的公式来实现 [2- 3]
。由于齿根过渡曲线的多样性和复杂性，
把每种形式的方程式都推导出来的工作量非常大， 而齿廓
曲线 (包含轮齿渐开线及齿根过渡曲线) 的准确度直接影
响分析结果的正确性和可靠性， 故精确构建齿轮模型是其
正确分析的前提。本文基于齿轮加工原理利用 Pro/E 的机
构运动仿真功能精确构建出了齿轮模型， 然后利用 Pro/E
与 ANSYS的接口， 把所建立的三维实体模型导入 ANSYS，
对齿轮在-定载荷条件下的应力分布状态进行了实例分析
和研究。
2 基于滚齿加工的齿轮模型构建
Pro/E 是美国参数技术公司 ( Parametric Technology
Corporation， PTC) 开发的 CAD/CAE /CAM软件。其全新
的概念几乎成为当今世界机械 CAD/CAE /CAM领域的-面
旗帜和标准， 尤其是第 3 代产品 Pro/E wildfire 版本， 因其
具有强大的运动学分析拈 Mechanism而受到企业界的-
致认同。同时， 该软件与有限元软件接口较好， 因而已成
为国内应用最为广泛的三维建模软件 [ 4]
。本文通过 Pro/E
中的机构运动仿真功能创建了直齿圆柱齿轮模型。
2.1 齿轮的建模步骤
本文主要是运用 Pro/E 的机构运动仿真功能来建模
的， 这种方法无需推导曲线方程， 操作过程简单且容易掌
握。其流程为: 创建机构-- -添加驱动器-- -进行机构仿
真-- -分析结果， 最后利用分析结果生成刀具的包络线在
齿坯处切出齿轮的-个齿槽。通过阵列， 可得到齿轮的三
维实体模型。
具体而言， 其建模步骤为:
1) 在零件拈下建立刀具的参数化模型和齿轮毛坯;
2) 在组件拈下将做好的刀具和齿坯按齿轮和齿条
运动位置装配;
3) 在机构拈下把刀具和齿轮毛坯按照齿轮和齿条
的运动参数建立运动模型;
4) 分析运动， 生成分析结果;
5) 根据分析结果， 利用 轨迹曲线”功能自动生成
刀具每条曲线的包络线;
6) 回到零件拈， 根据包络线建立齿轮模型。
在操作过程当中， 需注意: 在创建机构之前必须在零
件设计模式下完成所有构件 ( 零件) 模型的建立， 即在
PART拈下建立好刀具和齿坯的参数化模型， 并在装配
拈下根据齿轮的加工方式将齿坯和刀具按-定的约束关
系进行装配。
2.2 具体实例
某工厂-对渐开线直齿圆柱齿轮在工作过程当中， 发
现其从动轮的齿根处发生断裂。其主要参数为 m10， Z
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