不同加载工况下的齿轮啮合冲击应力分析
                                                       张宇白，王〓琳
                                   (大连科技学院机械工程学院，辽宁 大连〓116052)
摘要：大型船用齿轮在工作中经常受到瞬时冲击，长期作用下会对轮齿造成失效性破坏。基于有限元方法对船用齿轮箱中负载较大的斜齿轮副建立模型，通过显式动力学模块对其在不同加载工况下动态啮合过程进行仿真分析。计算结果表明，斜齿轮副不仅在不同加载速度下产生的齿面动应力差别较大，而且在齿面的不同部位产生的动应力值也存在较大差异。应在船用斜齿轮副的结构和强度设计中给予充分考虑。
关键词：显式动力学；斜齿轮副；加载工况；冲击应力；仿真分析
中图分类号：TH132.4;TH113.1〓文献标识码：A〓文章编号：2095-509X(2018)03-0031-04

    工程技术的高速发展对齿轮的负荷能力、寿命、可靠性都提出了更高要求。随着计算机技术的发展，在齿轮研究中已广泛应用有限元方法来计算应力和应变。国内外许多学者对齿轮轮齿承载接触分析进行了大量研究，提出了基于弹性理论的齿轮接触应力计算方法。VIJAYRANGAN等利用三维有限元法对齿轮的一个轮齿在冲击载荷和移动线载荷下的齿根动应力进行了研究。ZHU等研究了船用锥齿轮的设计以及轮齿接触的问题。李昌等基于显式动力学有限元法对齿轮箱动态特性进行了仿真，重点研究了齿轮箱内部各零部件的动态应力及相互作用。于印鑫等利用三维实体单元和耦合矩阵单元的混合有限元方法，对变速器传动系统和总成进行了模态和动态响应分析，但没有分析齿轮副啮合冲击动应力问题。
船用斜齿轮传动系统的负载复杂，经常受到瞬时冲击，尤其是在受到海浪冲击和离合器瞬间接合等情况发生时，由于轮齿的受载变形和加工误差, 齿轮在理论啮合线外发生啮合，产生啮入啮出冲击，使轮齿之间的冲击更加剧烈。斜齿轮啮合冲击为典型的高度接触非线性问题。动态分析宜采用有限元的显式动力学模块ABAQUS/Explicit，它适于求解复杂非线性动力学问题和准静态问题，特别适用于模拟短暂、瞬时的动态事件，如冲击和爆炸问题。而且，它对处理接触条件变化的高度非线性问题非常有效。本文运用ABAQUS软件中的显式动力学模块，对船用齿轮箱中负载较大的斜齿轮副建立精确的几何模型，仿真计算齿面啮合冲击动应力随时间变化过程，得出齿面动应力的分布规律，并进一步分析转矩的加载时间对动应力的影响。

1〓几何模型的建立
本文主要以某船用齿轮箱为研究对象，选取转矩最大的动力输入齿轮对建立三维实体模型，如图1所示。

图1〓船用齿轮箱传动系统三维几何模型

    齿轮1和3作为输入齿轮对，承受较大的负载转矩，对该齿轮对进行冲击动应力分析。斜齿轮齿廓曲线对齿轮应力分布有重要影响，因此建立齿廓模型时，选取尽可能多的齿廓点，建立高精度几何模型。该对齿轮均为斜齿轮，其几何参数见表1。
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基金项目：国家自然科学基金资助项目（51275081）
作者简介：张宇白（1972—），男，辽宁沈阳人，大连科技学院高级工程师，博士，主要研究方向为船用机械设备动力学。


（文章来源《机械设计与制造工程》杂志如需详细资料请联系江苏机械门户网客服QQ:2980918915,电话025-83726289）

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