基于WN齿轮传动强度的载荷系数拟合及弯曲应力分析

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

收稿 日期：2013.05.15作者简介：穆晓凯 (1986.)，男，硕士研究生；陈殿华 (1953-)，男，教授，研究方向：机械设计。

通讯作者：李玉光 (1963.)，男，教授，研究方向：机械设计。

齿轮传动是现代机械应用最广的传动机构之-，具有传动比准确、受力方向不变、使用寿命长、可靠性好等优点。随着大型现代化成套设备的出现，对齿轮传动提出了高速、重载、大功率的要求，WN齿轮就是着眼于接触迹线的改进以改善轮齿的啮合特性并提高齿轮承载能力的-种新型齿轮传动。然而，由于 WN 齿轮是在集中载荷的条件下运转，载荷主要分布在很窄的-段齿宽接触线上，造成齿根部承受较大的集中应力，所以轮齿的折断破坏就成为 WN 齿轮的主要破坏形式L1 J。

WN 齿轮在其齿面接触强度和齿根弯曲强度方面，都比普通渐开线齿轮高很多，它的齿面承载能力是其相同尺寸规格的普通渐开线斜齿轮传动的 2-3倍2]。但是齿轮的失效大多是由于轮齿的弯曲疲劳断裂而导致，因此齿轮的弯曲强度在很大程度上限制了它的承载能力。为了提高 WN 齿轮的承载能力和推广它的应用，许多学者应用有限单元法元法研究它的弯曲应力变形分布情况。由于 WN 齿轮传动的高承载能力等优点，所以开展 WN 齿轮的研究是非常值得的。

1 WN齿轮传动载荷参数的公式拟合化为：齿数z、模数 螺旋角 和齿宽B及凸凹齿齿廓部分的圆浑径 P等。工作参数有负载 、运转速度 v、传动比i、压力角oc 等。WN齿轮的啮合传动如图2所示。

； ifa，昱 兰Dl ：o5sf 1 0. 5ef E图 1 wN齿轮的齿形V1.1 WN齿轮传动强度设计 WN齿轮轮齿形状如图 1所示。轮齿的形状参数 图2 wN齿轮的啮合传动10 大 连 大 学 掌 报 第 34卷WN 齿轮基本齿廓参数设计是-个反复的过程，- 般从轮齿强度考虑。根据文献[3]的理论分析和文献[ 研究结果可知，WN齿轮传动的弯曲疲劳应力值和接触应力值可由式 (1)求得 ：O"F- ( 南其中 ∞ 为齿宽系数 ；KzF v ， F 22 A 和 为 动 力 综 合 影 响 系 数 ；和 z 为材料和几何综合影响系数，均可根据相关设计手册确定。 为啮合齿轮齿副接触点法向集中载荷，可根据具体的设计要求确定。

1.2 轮齿强度设计参数的拟合由于在 WN 齿轮传动的强度设计中，各个载荷系数及齿形系数没有给出具体数值，这就要求在计算时从设计手册的各个图表中查取数据5，这样不仅影响数值的精度，并且降低了计算效率。为了快速准确的查取数据，这里将强度公式中遇到的载荷系数K 、K 及接触迹系数K 与齿形系数 利用最小二乘法进行拟合。

(1) 动 载 系 数 V： 选 用 7.8 级 曲 线 ，(。(其中x：1，/ . -，v：K。 )拟合方程：Y 1.00000.0125x0.0004x。

拟合图形如图3所示：0 5 10 5 2O 25 3O 35 4o 45 50m 8-1图3 动载系数 的拟合曲线图(2)接触迹间载荷分配系数 1：按软齿面，硬度小于 350 HBS，对称分布： t ( )(其中 xb/d1，V 1)拟 合 方 程 ： Y0.9283十0.2737x-0.3953x 0.4955 3-0.2513 0.0501 。拟合图形如图 4所示 ：图4 接触迹间载荷分配系数K1的拟合曲线图(3)接触迹系数 K△s： 选用 [325-35的曲线：K 厂△ (△引。 (其中x：Ac，v △ )拟合方程： 0.3688-7.3614x41.7447x- 91.7469x 97.0472x -38.1292x 。拟合图形如图 5所示：图5 接触迹系数 △s的拟合曲线图(4)齿形系数 ：y 7)。(其中 ：ZF YFtLV X， (4)齿形系数 F： - (其中 y： )拟合方程： 3.3299-0.0769x0.0015x。

将拟合后的图形与设计手册中的图形进行对比，可以看出图形基本-致，说明此方法具有实用性，从而提高优化设计的效率及数值的精确度。

斋12 大 连 大 掌 掌 报 第 34卷从以上的应变图与应力云图 10的分析可以看出：(11弯曲应力的最大值发生的范围比较广泛，因此比较容易导致轮齿的齿崩，可以通过螺旋角的增大来提高轮齿的弯曲强度。

(2)从齿根弯曲应力的分布区域来看，轮齿所受的齿根弯曲应力主要集中在受载荷单元附近的-定区域内，远离受载区域部分的应力基本没有变化，并且应力值也不大。

f3)由图可以看出，wN齿轮的齿根弯曲应力主要集中在轮齿的齿根和齿腰处，最大弯曲应力往往在轮齿的齿根部位发生。

3 结论本文通过ANSYS软件对所建立的WN齿轮的三维模型进行弯曲应力分析，体现了计算机辅助设计与计算机辅助工程应用的结合。通过分析显示，WN齿轮的应力主要集中在轮齿的齿根工作段圆弧上，得到的结果敲表明 WN 齿轮的弯曲应力失效都是发生在齿根上。，本文不仅为实际应用的 W2q齿轮提供了- 种可行的设计方法，同时为齿轮的失效及可靠性的分析奠定了基矗