基于有限元法的平面包络环面蜗杆副的力学特性研究

论文摘要

平面包络环面蜗杆传动副是被广泛应用的齿轮传动,具有承载能力强,耐磨损,寿命长的特点,能适应高速重载的工作要求。但是目前其强度设计方法还不成熟,还没有被学界广泛接受的强度设计公式。本文研究平面包络环面蜗杆副的齿间载荷分布规律,以及接触载荷沿接触线的分布规律等力学特性,对于今后建立平面包络环面蜗杆副的强度设计公式打下了基础。本文基于齿轮啮合原理、计算机辅助设计、齿轮接触分析、非线性有限元分析理论,以计算机辅助设计和有限元分析为手段,提出了便于工程应用的平面包络环面蜗杆副三维实体的建模方法,并对平面包络环面蜗杆传动的接触力学性能进行了深入细致的研究。论文的主要研究内容如下:①基于齿轮啮合原理,推导了平面一次包络环面蜗杆副的接触线方程,和蜗杆的齿面方程,并建立了精确的平面一次包络环面蜗杆副的三维实体模型。根据蜗杆齿面为直纹曲面的特点,提出了一种新的建模思路,利用UG可以高效地建立精确的蜗杆模型。②研究了平面二次包络环面蜗杆副的三维实体建模方法。以齿轮加工中的范成法为理论基础,提出了用虚拟加工法来建立蜗轮模型的方法。利用UG的二次开发语言GRIP,开发了用于建立平面二次包络环面蜗轮的程序,可以方便地完成平面二次包络环面蜗杆副的三维实体建模。③基于非线性有限单元法,研究了平面一次包络蜗杆副的力学性能。发现接触载荷从啮入到啮出过程是逐渐减小的。本文还研究了母平面倾角β对于齿间接触载荷分布的影响,发现在蜗杆齿面不出现非啮合区的前提下,β较大时载荷分布更均匀。④利用自适应网格重划技术,研究了平面一次包络环面蜗杆副的接触载荷沿接触线的分布规律。接触线两端的载荷较大,而占较大区域的中部载荷较小,而且分布均匀。⑤基于非线性有限单元法,研究了平面二次包络环面蜗杆副的力学性能。发现与一次包络相同,接触载荷从啮入到啮出是逐渐变小的。每对轮齿都是双线接触,接触线两端的接触载荷较大,而接触线上的其他部分接触载荷相对较小,而且分布比较均匀。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 平面包络环面蜗杆传动的发展概况
• 1.2 课题研究背景及研究意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 啮合分析方面的基础理论研究
• 1.3.2 平面包络环面蜗杆传动副三维实体建模
• 1.3.3 平面包络环面蜗杆传动力学性能
• 1.4 论文的主要研究内容
• 2 一次包络环面蜗杆副的几何造型
• 2.1 引言
• 2.2 第一次包络过程分析与蜗杆齿面方程
• 2.2.1 坐标系设置与坐标变换
• 2.2.2 母平面方程和母平面的法向量
• 2.2.3 空间一点的相对速度
• 2.2.4 母平面的接触线方程
• 2.2.5 蜗杆的齿面方程
• 2.3 平面一次包络蜗杆副的几何造型
• 2.3.1 平面一次包络环面蜗轮的造型
• 2.3.2 平面一次包络环面蜗杆的造型
• 2.3.3 三维虚拟装配
• 2.4 本章小结
• 3 二次包络环面蜗杆副的几何造型
• 3.1 引言
• 3.2 第二次包络过程分析
• 3.3 平面二次包络环面蜗杆的造型
• 3.4 平面二次包络环面蜗轮的造型
• 3.4.1 蜗轮刀具的三维造型
• 3.4.2 毛坯的三维造型
• 3.4.3 虚拟加工法的思路
• 3.4.4 利用UG/Open GRIP 进行二次开发
• 3.4.5 毛坯的虚拟加工
• 3.4.6 蜗轮轮齿模型的建立
• 3.4.7 蜗轮模型的建立
• 3.5 三维虚拟装配
• 3.6 本章小结
• 4 一次包络环面蜗杆传动副的有限元分析
• 4.1 接触问题的有限元法
• 4.1.1 ABAQUS 的介绍
• 4.1.2 接触问题的有限元法
• 4.2 平面包络环面蜗杆传动非线性有限元分析
• 4.2.1 有限元模型的建立
• 4.2.2 结果分析
• 4.3 单个轮齿的接触载荷分布
• 4.3.1 自适应网格重划技术
• 4.3.2 基础模型的建立
• 4.3.3 结果分析
• 4.4 倾斜角β对于接触载荷分布的影响
• 4.4.1 不同 β 角时的仿真分析
• 4.4.2 接触力在蜗轮轮齿之间的分布
• 4.5 本章小结
• 5 二次包络环面蜗杆传动副的有限元分析
• 5.1 有限元模型的建立
• 5.2 分析结果
• 5.3 本章小结
• 6 结论
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录