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(xùn)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(qū)溫度在100℃下塑料蝸輪齒嚙合的應(yīng)力變形分布規(guī)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(xué)性能,為此類傳動的設(shè)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?zhèn)鹘y(tǒng)金屬的蝸桿傳動機構(gòu)。由于塑料齒輪加工經(jīng)濟性好、而且傳動平穩(wěn)、吸振降噪、質(zhì)量輕、耐磨、自潤滑等優(yōu)點,所以在汽車座椅、家電設(shè)備等輕動力傳輸中得到了廣泛應(yīng)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(qū)域接觸。整個傳動磨損幾乎都在塑料蝸輪上,嚙合區(qū)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(dǎo)熱與耐熱性差等缺點,所產(chǎn)生的熱量不易排除,所以塑料蝸輪的失效溫度占主導(dǎo)地位。因此,研究塑料蝸輪嚙合區(qū)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(dá)到平衡后,塑料蝸輪齒廓的變形應(yīng)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(jù)蝸輪蝸桿的基本參數(shù)與結(jié)構(gòu)尺寸(見表1),利用SolidWorks生成蝸輪蝸桿傳動模型。導(dǎo)人MSC. Patran/Nastran中,如圖1所示。
為了完全反應(yīng)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(zhuǎn),輪齒上接觸區(qū)的位置是呈周期性變化的。其周期為9°,塑料蝸輪每旋轉(zhuǎn)9°,則需要蝸桿旋轉(zhuǎn)一周。將蝸輪蝸桿嚙合位置分為6個位置(見表2).
設(shè)置蝸輪蝸桿材料屬性分別為聚甲醛塑料(POM)和合金鋼16MnCr5。網(wǎng)格劃分采用于動劃分六面體網(wǎng)格,為提高接觸面處的精確性,對輪齒嚙合部分進行網(wǎng)格細(xì)化。節(jié)點總數(shù)為160 023,單元總數(shù)為141 168,節(jié)點自由度總數(shù)為852 152。蝸輪蝸桿材料物理性能參數(shù)和熱力學(xué)系數(shù)(見表3、表4)。
設(shè)置邊界條件。由實驗所測得的蝸輪蝸桿加載后,嚙合區(qū)溫度達(dá)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(jié)構(gòu)分析提供溫度場邊界條件,由圖2可知嚙合區(qū)域溫度為100℃;將蝸輪設(shè)置為固定;在蝸桿兩端設(shè)置軸承支座,僅允許蝸桿軸向的移動與轉(zhuǎn)動;設(shè)置作用于蝸桿的外載荷力,在蝸桿左端面設(shè)定軸向方向的推力;接觸類型將蝸輪與蝸桿接觸齒對設(shè)為接觸組,并定義蝸輪接觸類型為GAP。并且設(shè)定蝸輪的最大載菏為30 N·m。
2計算結(jié)果與分析
2.1計算結(jié)果及處理
數(shù)值計算可得到嚙合溫度在100 ℃、任何載荷下應(yīng)力云圖。圖3所示為嚙合溫度在100℃、50%載荷下的變形應(yīng)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(shù)值插值分析方法形成曲線如圖4所示。
由計算數(shù)據(jù)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(yīng)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(jù)表2可知蝸輪蝸桿在不同嚙合位置的角度關(guān)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(yīng)力與變形的情況。同樣采用數(shù)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(nèi),塑料蝸輪的應(yīng)力值以及變形量(見圖6-8所示)。
2.2結(jié)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(qū)域為橢圓形區(qū)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(dāng)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(qū)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(chǎn)生接觸破壞,其超過了極限應(yīng)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(fā)生變化;當(dāng)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(tài)。由圖5中的齒3可知,在塑料蝸輪接觸齒廓發(fā)生接觸破壞之后,即接觸應(yīng)力大于材料極限應(yīng)力,則隨著載荷的進一步增大,在該接觸處的最大應(yīng)力會出現(xiàn)下降。
3)比較蝸輪在100℃嚙合溫度和常溫下分析的有限元結(jié)構(gòu)分析結(jié)果,塑料蝸輪最大應(yīng)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(fā)生接觸破壞,從而該齒廓上產(chǎn)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(qū)域面積的增加,使得齒廓變形與承載能力趨于平衡。
3結(jié)束語
通過對塑料蝸輪與鋼制蝸桿傳動嚙合的數(shù)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(xué)性能優(yōu)缺點。為此類傳動的設(shè)計制造提供有價值的參考。
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