基于精确齿面建模的弧齿锥齿轮有限元分析

作     者：江玉刚 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李立新

授予年度：2011年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：弧齿锥齿轮 建模 有限元 接触分析 ANSYS 扭转角 

摘      要：弧齿锥齿轮由于承载能力大,重合度大,平稳传递载荷,在高速传动时明显地减少噪声和振动,可以获得很大的传动比,对安装误差敏感性小,因而得到非常广泛的应用。本文以某发射装置末级传动系统中的弧齿锥齿轮为研究对象,运用MATLAB、VB、SolidWorks和ANSYS等工具,对其接触问题进行了研究。本文主要研究内容如下： 1.基于齿轮啮合原理和局部共轭原理,按照平顶产形轮加工原理及加工过程中之间的相对位置关系,建立了刀具坐标系、机床坐标系、工件坐标系等坐标系,详细地推导了各坐标系之间的矩阵转换,通过产形面和齿面啮合方程分别确定了大轮和小轮的齿面方程。分析比较了曲面不同参数的选择,确定了合适的参数来表示齿面方程,以方便其在MATLAB中实现,为后续建立弧齿锥齿轮模型奠定了基础。 2.根据推导的齿面方程,运用MATLAB编程计算出齿面上的数据点,导入SolidWorks,基于SolidWorks API技术,利用VB编程创建轮齿曲面,运用曲面裁剪、缝合等操作,创建一个轮齿,最后阵列切除形成完整齿轮,建立了大小轮的精确三维模型,按啮合关系装配,为后面有限元分析提供基础。利用VB编程检验插值曲面,以保证齿面误差符合有限元分析的要求。 3.结合建立的弧齿锥齿轮精确模型,在ANSYS软件中建立了弧齿锥齿轮的有限元模型,试划分网格得到理想的网格密度,试验验证取得合理的FKN值,分析了弧齿锥齿轮在同一啮合位置下不同载荷下的接触情况,得出了不同载荷作用下的接触区变化关系曲线,分析了大小轮的齿根应力,得到了接触应力和主应力沿齿向分布曲线。特别是首次得到了输入力矩与小弧齿锥齿轮扭转角之间的函数关系,这一结论可用于精确控制某发射装置。分析了一个啮合周期内的弧齿锥齿轮的啮合状况。 4.针对弧齿锥齿轮在加工和安装过程中存在的三种误差,分别分析了齿圈轴向位移偏差ΔfAM、轴间距偏差ΔfA、轴交角偏差ΔE∑三种安装误差对弧齿锥齿轮传动过程中的接触状态、应力应变的变化情况的影响。