球面渐开线弧齿锥齿轮啮合性能的动态有限元仿真(附件)
弧齿锥齿轮以其强度高、传动平稳、效率高、承载能力强、噪声低等优点而被广泛应用于高级轿车、动车、航空航天、石油、化工等诸多领域，其啮合性能直接影响着齿轮副的寿命和工作质量。课题运用ANSYS等工具，研究球面渐开线弧齿锥齿轮对在工作状况下的强度，包括齿面啮合区与齿面接触应力的有限元分析。本文利用三维CAD软件（UG或其它软件）建立球面渐开线弧齿锥齿轮的实体模型；然后研究齿轮的具体工作状况，确定有限元网格划分思路；根据工作状况确定有限元模型的边界条件（约束和载荷等）；在ANSYS中建立完整的零件分析模型，并通过模型检查；分析在工作状态下，一对轮齿从啮入到啮出过程中齿面啮合区与齿面最高接触应力。关键词 有限元网格划分，有限元分析，齿面啮合区，接触应力
目 录
1 绪论 1
1.1 研究课题的意义 1
1.2 国内外发展情况 1
1.3 课题由来 1
1.4 课题研究内容 2
2 有限元分析法 2
2.1 有限单元法的基本思想 2
2.2 有限元ANSYS软件 4
3 齿轮参数化建模 6
3.1 引言 6
3.2 弧齿锥齿轮模型准备 7
4 软件处理 12
4.1 前期准备工作 12
4.2 确定单元类型 12
4.3 导入模型 13
4.4 划分网格 13
4.5 添加材料属性 15
4.6 设置单元类型 15
4.7 定义接触对 16
5 有限元分析 18
结 论 22
致 谢 23
参 考 文 献 24
1 绪论
1.1 研究课题的意义
弧齿锥齿轮承载能力高、运转平稳、低噪音及寿命长等独到的优点使其逐渐成为应用最广泛的传动部件，尤其在矿山机械、直升机、装载机等重要设备和仪器中起着举足轻重的作用。
此类齿轮多用于高速、重载的工作环境中，如果齿轮在工作中发生失效，会给工业生产带来不可估量的损失。在一项针对全球直升机事故的调查中显示，齿轮 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
失效在整个机械故障总数中所占比例高达65%以上，而这其中约80%的失效都是由齿面接触疲劳造成的，所以对齿轮动态啮合性能进行深入的分析研究，并结合齿轮的工作需求设计不同参数、不同材质的模型等工作一直引起各国专家学者的广泛关注。
在实际工作中，加载到弧齿锥齿轮上的动载荷随着时间不断变化、传递过程中齿轮发生变形并且在加工制造时的制造误差、齿轮副在啮合时由于齿侧间隙的存在使轮齿在工作时发生脱离等不可避免的因素都会对齿轮啮合特性带来影响，引起强烈的非线性动力效应、冲击及振动等现象的发生，所以在任何部件在设计和投入使用之前都需要准确的预测其动态特性。
1.2 国内外发展情况
1.2.1 国外发展和研究现状
外国科研专家早在数十年前已经进行有限元分析。如今，科技的创新与研究，有限元技术的迅猛提升，随着计算机与软件应用的不断向前接替更新，有限元软件也跟着不断变化。因此外国齿轮分析对于有限元上应用经过不断的完善和提升，拥有丰富的经验，项目的成熟远超于国内
1.2.2 国内发展和研究现状
对于国内来说，技术发展时间比较国外短而且晚，科研专家也经过了一段时间的研究创新和改善，也在一些对于国外技术上有所学习有所发展，不过基于有限元分析的计算困难程度上说，比较深入的的有限元分析还需要不断的学习探究。现在的阶段来说，国内在齿轮研究的问题上其
1.3 课题由来
螺旋锥齿轮因其重叠系数大、承载能力强、传动比高、传动平稳、噪声小等优点广泛应用于汽车、航空、矿山等机械传动领域。因此，螺旋锥齿轮副的啮合性能分析，就显得十分必要。
本课题分析的对象是修形后的球面渐开线弧齿锥齿轮，对其轻载下的传动误差、啮合斑点以及在工作载荷与工作转速下的啮合斑点、齿根弯曲应力以及齿面接触应力进行有限元分析。有限元求解计算后，通过APDL语言开发的后处理代码，可以获得一对齿从开始啮合到脱离啮合的过程中，轻载啮合斑点以及传动误差，加载条件下的齿根最高弯曲应力以及齿面最高接触应力。
1.4 课题研究内容
本课题采用有限元方法研究球面渐开线弧齿锥齿轮对在工作状况下的强度，包括齿面啮合区与齿面接触应力的有限元分析。首先利用三维CAD软件（UG或其它软件）建立球面渐开线弧齿锥齿轮的实体模型；然后研究齿轮的具体工作状况，确定有限元网格划分思路；根据工作状况确定有限元模型的边界条件（约束和载荷等）；在ANSYS中建立完整的零件分析模型，并通过模型检查；分析在工作状态下，一对轮齿从啮入到啮出过程中齿面啮合区与齿面最高接触应力。
2 有限元分析法
2.1 有限单元法的基本思想
2.1.1 物体离散化
将物体结构离散成各种单元组成的容易计算的模型，这步骤称为单元剖分。离散过后通过节点把那些单元连接起来。按照对单元节点设置的需求和计算精度，性质等确定。因此有限元法中分析的结构是由各个节点连结成的单元组成的。（划分程度越高，精度越高，同时计算任务量也高）。因此原来的结构已经发生改变，是由单元组成的离散物体。分析问题通过有限元方法只是一个粗略的结果，不够准确。如果能够对单元格进行精细划分，那么可以算出较为准确的结果。
（1）单元特性分析
1）选取未知量 对选中的对象划分为位移法，混合法等
2）分析单元力学性质 依照单元的形状位置等条件来搜寻单元的节点力和节点的位移关系的方程式。还需要通过参照弹性力学中的几何和物理关系编辑方程式，求出单元刚度矩阵。
3）计算等价节点力 离散后的对象，默认力是在节点之间传递。考虑到实际物体中。该力通过公共边界，将作用于单位边界的力有效地应用于节点，并将作用于单位的力用等效节点力代替。
（2）单元组集
有限元方程是通过平衡条件和边界条件，根据原结构重新组合而形成的。
（3）求解未知节点位移
用有限元方程求解方程的复杂性，找到合适的计算方法。
2.1.2 有限元法求解过程
有限元分析是将问题分解成大量的单元，给出单元属性，建立单元方程、联立方程，并求解方程得到最终结果。一般来说，它基本上是第一个分析单元，然后是单元刚度、装配单元、整个系统的系统，然后求解，得到与节点相似的结果。
在创建模型时，需要时间考虑两个关键因素:计算机大小、人力资源;计算机的大小和人力资源的大小经常影响模型的大小。它还确定了分析的目的和方法、给定的边界条件和施加的荷载。
有限元法操作的过程如下：
目 录
1 绪论 1
1.1 研究课题的意义 1
1.2 国内外发展情况 1
1.3 课题由来 1
1.4 课题研究内容 2
2 有限元分析法 2
2.1 有限单元法的基本思想 2
2.2 有限元ANSYS软件 4
3 齿轮参数化建模 6
3.1 引言 6
3.2 弧齿锥齿轮模型准备 7
4 软件处理 12
4.1 前期准备工作 12
4.2 确定单元类型 12
4.3 导入模型 13
4.4 划分网格 13
4.5 添加材料属性 15
4.6 设置单元类型 15
4.7 定义接触对 16
5 有限元分析 18
结 论 22
致 谢 23
参 考 文 献 24
1 绪论
1.1 研究课题的意义
弧齿锥齿轮承载能力高、运转平稳、低噪音及寿命长等独到的优点使其逐渐成为应用最广泛的传动部件，尤其在矿山机械、直升机、装载机等重要设备和仪器中起着举足轻重的作用。
此类齿轮多用于高速、重载的工作环境中，如果齿轮在工作中发生失效，会给工业生产带来不可估量的损失。在一项针对全球直升机事故的调查中显示，齿轮 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
失效在整个机械故障总数中所占比例高达65%以上，而这其中约80%的失效都是由齿面接触疲劳造成的，所以对齿轮动态啮合性能进行深入的分析研究，并结合齿轮的工作需求设计不同参数、不同材质的模型等工作一直引起各国专家学者的广泛关注。
在实际工作中，加载到弧齿锥齿轮上的动载荷随着时间不断变化、传递过程中齿轮发生变形并且在加工制造时的制造误差、齿轮副在啮合时由于齿侧间隙的存在使轮齿在工作时发生脱离等不可避免的因素都会对齿轮啮合特性带来影响，引起强烈的非线性动力效应、冲击及振动等现象的发生，所以在任何部件在设计和投入使用之前都需要准确的预测其动态特性。
1.2 国内外发展情况
1.2.1 国外发展和研究现状
外国科研专家早在数十年前已经进行有限元分析。如今，科技的创新与研究，有限元技术的迅猛提升，随着计算机与软件应用的不断向前接替更新，有限元软件也跟着不断变化。因此外国齿轮分析对于有限元上应用经过不断的完善和提升，拥有丰富的经验，项目的成熟远超于国内
1.2.2 国内发展和研究现状
对于国内来说，技术发展时间比较国外短而且晚，科研专家也经过了一段时间的研究创新和改善，也在一些对于国外技术上有所学习有所发展，不过基于有限元分析的计算困难程度上说，比较深入的的有限元分析还需要不断的学习探究。现在的阶段来说，国内在齿轮研究的问题上其
1.3 课题由来
螺旋锥齿轮因其重叠系数大、承载能力强、传动比高、传动平稳、噪声小等优点广泛应用于汽车、航空、矿山等机械传动领域。因此，螺旋锥齿轮副的啮合性能分析，就显得十分必要。
本课题分析的对象是修形后的球面渐开线弧齿锥齿轮，对其轻载下的传动误差、啮合斑点以及在工作载荷与工作转速下的啮合斑点、齿根弯曲应力以及齿面接触应力进行有限元分析。有限元求解计算后，通过APDL语言开发的后处理代码，可以获得一对齿从开始啮合到脱离啮合的过程中，轻载啮合斑点以及传动误差，加载条件下的齿根最高弯曲应力以及齿面最高接触应力。
1.4 课题研究内容
本课题采用有限元方法研究球面渐开线弧齿锥齿轮对在工作状况下的强度，包括齿面啮合区与齿面接触应力的有限元分析。首先利用三维CAD软件（UG或其它软件）建立球面渐开线弧齿锥齿轮的实体模型；然后研究齿轮的具体工作状况，确定有限元网格划分思路；根据工作状况确定有限元模型的边界条件（约束和载荷等）；在ANSYS中建立完整的零件分析模型，并通过模型检查；分析在工作状态下，一对轮齿从啮入到啮出过程中齿面啮合区与齿面最高接触应力。
2 有限元分析法
2.1 有限单元法的基本思想
2.1.1 物体离散化
将物体结构离散成各种单元组成的容易计算的模型，这步骤称为单元剖分。离散过后通过节点把那些单元连接起来。按照对单元节点设置的需求和计算精度，性质等确定。因此有限元法中分析的结构是由各个节点连结成的单元组成的。（划分程度越高，精度越高，同时计算任务量也高）。因此原来的结构已经发生改变，是由单元组成的离散物体。分析问题通过有限元方法只是一个粗略的结果，不够准确。如果能够对单元格进行精细划分，那么可以算出较为准确的结果。
（1）单元特性分析
1）选取未知量 对选中的对象划分为位移法，混合法等
2）分析单元力学性质 依照单元的形状位置等条件来搜寻单元的节点力和节点的位移关系的方程式。还需要通过参照弹性力学中的几何和物理关系编辑方程式，求出单元刚度矩阵。
3）计算等价节点力 离散后的对象，默认力是在节点之间传递。考虑到实际物体中。该力通过公共边界，将作用于单位边界的力有效地应用于节点，并将作用于单位的力用等效节点力代替。
（2）单元组集
有限元方程是通过平衡条件和边界条件，根据原结构重新组合而形成的。
（3）求解未知节点位移
用有限元方程求解方程的复杂性，找到合适的计算方法。
2.1.2 有限元法求解过程
有限元分析是将问题分解成大量的单元，给出单元属性，建立单元方程、联立方程，并求解方程得到最终结果。一般来说，它基本上是第一个分析单元，然后是单元刚度、装配单元、整个系统的系统，然后求解，得到与节点相似的结果。
在创建模型时，需要时间考虑两个关键因素:计算机大小、人力资源;计算机的大小和人力资源的大小经常影响模型的大小。它还确定了分析的目的和方法、给定的边界条件和施加的荷载。
有限元法操作的过程如下：
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