基于有限元法的MC尼龙斜齿轮性能分析

论文摘要

MC尼龙(Monomer Casting Nylon)又称单体浇铸尼龙,具有强度高、韧性好、抗冲击、耐疲劳,并且具有较好的抗蠕变、吸音、回弹和很好的耐磨、自润滑、与其他材料不粘结等多种独特性能,是广泛应用于几乎所有的工业领域的工程塑料。由于MC尼龙的上述特有性能,使用MC尼龙材料制作齿轮,在某些情况下将发挥比金属齿轮更好的作用。与传统的金属齿轮相比MC尼龙齿轮强度和弹性模量均较低,难以承受重载荷,所以限制了其应用领域。为了使其更好地应用于工程实际,本文的对MC尼龙斜齿轮力学性能进行分析,主要工作和研究内容如下:1.对目前塑料齿轮在工业领域的应用和发展、应用有限元法对齿轮进行模态分析、以及应用有限元接触方法对齿轮进行模拟分析的研究现状和进展,进行了简要的概述。2.通过有机结合SolidWorks及其插件GearTrax、HyperMesh及ANSYS软件建立了斜齿轮及斜齿轮副的三维有限元模型。这一从建立几何模型到最终进行有限元计算的方法,为工程人员及科研工作者进行有限元模拟分析提供了快速有效的途径。3.在上述建模的基础上,应用ANSYS的Block Lanczos法对MC尼龙斜齿轮进行模态分析,提取了低价固有频率和对应的主振型,较好地研究了系统的固有特性,为减小齿轮振动和噪声及避免齿轮传动系统发生共振,激振力的频率应与系统的固有频率错开。4.建立MC尼龙斜齿轮副啮合三维有限元模型,通过应用ANSYS中瞬态动力学的full法,对斜齿轮副的啮合传动过程进行计算机模拟实验。结果表明,齿轮的最大应力出现在齿根位置,最大应力为84.3MPa,满足该载荷工况下的强度要求。接触线宽度和接触线倾斜角能反映出齿轮副在啮合过程中齿轮运行的平稳性。模拟实验结果为齿轮接触线宽度为1.33mm,接触线倾斜角与齿轮螺旋角大致相等,这表明斜齿轮在啮合过程中运行能保持相对平稳。同时,模拟实验还得到了齿根应力谱,为齿轮疲劳寿命计算提供依据。这些研究结果对进一步研发、改进和优化齿轮具有一定的参考价值。文章最后就进一步的研究方向做出了阐述。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 塑料齿轮
• 1.2.1 塑料齿轮的发展
• 1.2.2 塑料齿轮的优缺点
• 1.3 齿轮模态分析研究现状
• 1.4 接触分析
• 1.4.1 接触分析理论发展现状
• 1.4.2 有限元模拟中的接触分析
• 1.4.3 齿轮接触分析的研究现状
• 1.5 齿轮CAD/CAE 研究现状及发展趋势
• 1.5.1 三维齿轮建模
• 1.5.2 齿轮强度与有限元
• 1.5.3 国内外塑料齿轮研究现状及发展方向
• 1.6 本文的研究内容和技术路线
• 第二章 接触理论
• 2.1 接触理论
• 2.1.1 Hertz 接触理论
• 2.1.2 经典接触力学计算
• 2.2 接触分析有限元法思想
• 2.2.1 有限单元法
• 2.2.2 接触有限元分析
• 2.3 ANSYS 有限元软件的接触分析
• 2.3.1 ANSYS 的接触类型与接触方式
• 2.3.2 ANSYS 的接触算法
• 第三章 斜齿轮模态分析
• 3.1 模态分析方法
• 3.1.1 模态分析的有限元基础
• 3.1.2 模态分析在ANSYS 的实现
• 3.2 斜齿轮模型
• 3.2.1 MC 尼龙斜齿轮三维几何模型
• 3.2.2 网格控制
• 3.2.3 有限元模型
• 3.3 模态结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 斜齿轮啮合瞬态动力学分析
• 4.1 瞬态动力学
• 4.1.1 完全法
• 4.1.2 模态叠加法
• 4.1.3 缩减法
• 4.2 MC 尼龙斜齿轮副啮合模型
• 4.2.1 斜齿轮装配
• 4.2.2 网格控制
• 4.2.3 有限元模型
• 4.3 结果分析
• 4.3.1 齿轮强度
• 4.3.2 接触线特性
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A:攻读硕士学位期间发表论文目录