文献分享 | 使用 ANSYS Workbench 对涂有木质涂层的直齿轮进行接触应力分析

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这是一种应用于正齿轮表面上的环保技术，用于在润滑不足或干摩擦下涂覆受控微米厚度的含氟聚合物层。它作为新形成的金属层来减少阻尼振动[1] , [2]。由于高性能分散体的发展，含氟聚合物涂层材料现已得到广泛应用。这些混合物由悬浮在有机混合物中的复合颗粒组成[3]。由于采用含氟聚合物系列材料（PTFE、PFA）和填充材料（二硫化钼、硅树脂）产品）存在于复合颗粒中，产生的含氟聚合物薄膜将这些特性与含氟聚合物材料的良好减摩和抗粘性品质相结合，但由于粘合剂的性质而缺乏良好的耐磨性[4 ]。如今，旧发动机零件的活动表面被氟聚合物化合物覆盖（涂层），以增加摩擦系数、减少磨损并降低运行噪音。一种称为耕地机的机械部件通过齿的成功接触将动力从一个轴分配到另一个轴[5]。与皮带和链条传动相比，齿轮传动更紧凑，运行速度更快，可用于需要精确定时、经常发生皮带或绳索打滑的应用，或者在两个轴之间传输运动或动力时。6]。滑移导致系统的速度比降低。在特定速比至关重要的精密机械中，唯一的正驱动是通过齿轮或齿轮。

最简单的齿轮类型是正齿轮，其齿沿平行于齿轮轴线的方向在圆柱形毛坯的外表面上切削而成[7]。通常，有两种类型的正齿轮传动：外齿轮和内齿轮[8]。在内齿轮的情况下，仅在较大齿轮的内部切齿，小齿轮仍然具有通常的外齿。外齿轮在小齿轮和齿轮的外周都有切入的齿。为了在平行轴之间传递动力，使用正齿轮[9]。在啮合过程中，一个齿轮的整个面宽将与其配对齿轮的整个面宽接触，因为齿轮齿平行于轴线。这会产生噪音，噪音随着速度的升高而变得更大。因此，正齿轮用于低功率传输，尽管它们的运行速度相当慢。正齿轮也可以与小齿轮和齿条结合使用，将圆周运动转换为线性运动[10]。正齿轮通常具有渐开线轮廓和 14.5 或 20 度的压力角。20度压力角齿轮由于承载能力大而更常用。由于齿结构是笔直且平行于轴线的，它们仅在轴承上施加径向应变[11]。大多数机床，包括滚齿机、铣床、插齿机和拉床，由于其简单的结构设计，都可以制造正齿轮。正齿轮有时可以冲压或铸造[12]。

在选择齿轮材料时，重要的是要确保齿具有足够的梁强度并且表面层耐用[13]。可以使用不同种类的材料来制造齿轮，具体取决于它们的用途和使用地点[14]。选择齿轮材料时，重要的是要考虑齿的梁强度及其表面层的耐用性。根据应用的目的和位置，可以使用由多种材料组成的齿轮。最常用于制造齿轮的材料包括黑色金属，如各种牌号的铸铁和镍、铬、钒制成的合金钢，以及钛、青铜和黄铜等有色金属。在上述所有材料中，经过充分的热处理，非金属如酚醛树脂、尼龙、电木、云母和钢等塑料取向材料可以广泛应用于各种工程应用[15]、[16 ]、[ 17 ]。齿轮传动装置中的小齿轮通常比齿轮经历更多的负载循环；因此，小齿轮应采用比轮子更坚固的材料制成[18]。接触应力分析在正齿轮设计中发挥着主要作用，基于ANSYS分析计划创建一个新的数据库，将帮助全齿轮制造商根据其应用找到涂层厚度。

齿轮传动系统因其承载能力高、效率高、布局紧凑而应用最广泛。从最小的钟表和仪器到最大、最强大的机械（如起重起重机），齿轮应用于许多不同的领域和各种不同的条件下[19]。使用直径从几毫米到几米的齿轮，可以控制它们传输从可忽略的小值到数千千瓦的功率。齿轮的一些常见应用是汽车、连绵起伏的丘陵和铣床。由于齿轮传动比皮带和链条传动更紧凑，因此需要的安装面积更小。还提供高效齿轮传动装置。与皮带或链条传动相比，它们可靠性高，使用寿命长，齿轮传动可以传递更多动力。它们比其他驱动器更强大并且提供更广泛的速比范围。由于不存在皮带传动可能发生的打滑，因此它们具有恒定的速比。

通过使用软件 PRO-E 5，对样本进行建模。凭借其独特的功能和适应性强的用户界面，PRO-E 5 程序使用户的建模变得简单。最近的工作提供了许多对最佳齿轮设计进行建模的方法。它提供了 20 度压力角齿轮装置的计算机设计程序，忽略齿轮齿尖的刻痕。该程序改变径节、面宽和齿轮比，以获得齿轮啮合特性（如齿顶比和压力角）的良好设计，并描述了如何改变标准齿轮啮合以获得更好的齿轮组。过去的文献讨论了如何调整基本齿轮组来平衡失效机制与点蚀疲劳模式以及如何用齿轮进球。为了这，修改了齿轮和小齿轮的齿顶比以实现最佳设计。变速箱设计的优化技术旨在降低尺寸和重量。齿轮强项必须考虑到疲劳，尤其是美国制罐齿轮制造协会（AGMA）如何对待疲劳。与其他驱动器相比，齿轮需要更复杂的设计和制造工艺。由于制造不正确、过度磨损或两者兼而有之，它会在高速时产生噪音。面粉厂、碾米厂等场所不能用齿轮进行长距离动力传输。与皮带或链条传动不同，它们需要仔细维护和充分润滑。

3.1 . 齿轮齿形类型

圆边缘上固定直线可以移动而不滑动的位置。当一个圆在圆周上一点所形成的固定圆上移动而不发生滑动时，该运动称为外摆线。另一方面，内摆线是当圆滚动而不在静止圆内部滑动时由圆周上的点形成的曲线。切线上在圆上滚动但不打滑的点或从卷轴上松开的拉紧绳上的点与齿轮结合形成渐开线齿，也称为基圆。

3.2 . ANSYS

ANSYS 是一种多用途有限元计算机工具，用于解决结构和热传输工程分析[20]。静态分析、弹性、塑性、热、应力、应力强化、大变形、双线性单元、动态分析、建模、谐波响应、线性时程、非线性时程、传热分析（传导、对流、辐射）、耦合流体流、耦合电流、结构、磁学都是 ANSYS 解决问题的能力[21]、[22]。连续体具有无限个自由度，有限元分析中的元素数量减少了该数量[23]。这些元素被认为仅在其节点处连接。使用的元素越多，解决方案的准确性就会越高。使用的元素数量越多，结果就越准确[24]。

以下是完成分析的过程。

• 导入到 ANSYS 工作台

• 生成网格

• 应用材料属性

• 应用支撑

• 施加负载

• 分析变形和应力

• 绘制图表

4.1 . 导入模型

只需转到文件菜单，选择导入文件，然后单击生成图标即可将 PRO-E.IGES 文件导入 ANSYS 软件。之后，在ANSYS中生成PRO-E文件。然后选择单位和材料属性并应用网格、载荷和支撑。

4.2 . 应用材料属性

下一个问题是将材料属性应用于样本。ANSYS 11 是一个包含各种材料的大型数据库。表1显示了与分析相关的各种属性详细信息。

表 1 . 属性信息

4.3 . 生成体积网格

在配对齿轮中，一个被固定支撑，另一个被摩擦支撑。该力矩施加到无摩擦支撑齿轮上。生成网格的方法如下：

• CFX网格法

• 生成体积网格

图 1 (a) 和图 1 (b) 显示了施加到无摩擦支撑齿轮的力矩。使用 ANSYS 工作台按照所需规格绘制正齿轮。图 1 (a) 显示了施加在无摩擦齿轮上的力矩。图 1 (b) 限制特定方向的自由度并添加特定正齿轮的啮合参数。

图1 . (a)正齿轮分析。(b) 啮合正齿轮分析

5.1 . 现有齿轮（Gear-1）分析结果

与图 2所示的涂层齿轮相比，未涂层齿轮的总变形更高。涂层齿轮显示了特定齿轮中的各种应力分布。未涂层齿轮无应力分布显示未涂层正齿轮中产生的应力更大。齿轮的颜色表示涂层齿轮中的各种应力水平。

图2 . 齿轮 1 的总变形

如图3所示，涂层齿轮发生更多的方向变形。彩色齿轮显示涂层齿轮呈红色，显示出更多的方向变形。涂层应力的较高变形表明与未涂层齿轮相比，齿轮中的接触应力水平较低。方向变形是指特定方向上的变形。图 4显示了涂层齿轮中啮合齿轮中的法向应力。法向应力参数并不表示配合齿轮中的法向应力。无负载时的法向应力表示两个配合齿轮中的应力相同。

图3 . 齿轮 1 的方向变形

图4 . 齿轮 1 的法向应力

图5显示了配合齿轮中的等效应力以及未涂层应力中的等效应力。等效应力是齿轮设计中比较重要的一点。负载和支撑轴设计占用特定的空间。等效应力使特定齿轮振动更大。

图5. 齿轮 1 的等效应力

与齿轮 1 相比，涂层齿轮的总变形量较低，如图 6所示。显然，增加涂层厚度可以更好地降低总变形水平。低变形表明设计紧凑，减小齿轮尺寸是一个重要参数。

图6 . 齿轮 2 的总变形

在图7中示出了齿轮2的方向变形。有限元分析中更令人印象深刻的结果和不同的颜色表明齿轮的方向变形处于较低水平，与未涂层齿轮相比，这表明特定方向的变形处于较低水平。

图7 . 齿轮 2 的方向变形

对于涂层齿轮来说，法向应力是一个令人印象深刻的参数，如图 8所示。结果表明，涂层齿轮和未涂层齿轮表现出相同的法向应力。

图8 . 齿轮 2 的法向应力

配对齿轮2的等效应力如图9所示。这表明只有涂层齿轮在配合表面上具有更大的价值，显示了涂层齿轮的令人印象深刻的价值。绿色表示与未涂层齿轮相比接触应力水平较低。

图9 . 齿轮 2 的等效应力

图10显示了齿轮 3 的法向应力。它的涂层厚度为 36 µm，显示了令人印象深刻的法向应力水平。增加涂层厚度可以减少正齿轮配合时的接触应力。

图10. 齿轮 3 的法向应力

图11显示了涂层 36 µm 齿轮的等效应力。在提高涂层厚度的同时给出令人印象深刻的结果，可以更大程度地降低等效应力。较厚的涂层齿轮可减少等效应力。上述分析显示了涂层齿轮与普通齿轮的参数对比。涂层齿轮显示接触应力、等效应力和总变形，其值较低。对于重型应用，36 µm 涂层齿轮适合高速度和高性能。

图11. 齿轮 3 的等效应力

5.2 . 根圆角半径修改结果

与未涂层齿轮相比，涂层齿轮的总变形减少，如图 12所示。未涂层齿轮的总变形更大，通过增加涂层厚度，总变形水平降低至36 µm；高于此水平，涂层厚度不会显示出太大的影响。正常；作用在齿轮上的应力如图13所示。与未涂层齿轮相比，法向应力较低。通过增加涂层厚度，法向应力水平会降低，但不是线性程度的；只有 36 µm 以内的正应力才能给出有效参数。

图12 . 总变形

图13. 正常压力

等效应力如图14所示。等效应力显示涂层齿轮3的良好结果以及24μm厚度的较低量的等效应力。

图14. 等效应力

5.3 . 顶部陆地圆角半径修改结果

在每个点处，顶部焊缝半径、应力和变形值都会增加。根圆角半径为 2.05 毫米，与所有其他齿轮和现有齿轮相比，应力和变形值更小。该齿轮比所有其他齿轮具有更好的控制能力。

配置文件经过更改、检查并与当前设备进行对比。与现有齿轮相比，设计的齿轮中产生的应力较低。离散并评估具有除齿高之外的相同齿轮参数的正齿轮。结果表明，修正齿对位移的控制较好，可达2%。因此，在一定范围内增加齿深可以保证振动幅度得到有效控制。因此，建议将根圆角半径增加最多 5%，作为轮廓调整的有用方法，以减少齿轮中产生的应力和振动。已生成除齿高外具有相同齿轮参数的正齿轮，并通过 FEA 软件进行离散化和分析。与现有齿轮相比，重新设计的齿轮中产生的应力更小。因此，在一定限度内增加齿深可以确保对振动幅度的控制有效。因此，建议增加根圆角半径作为轮廓修改的有效方法，以减少齿轮中引起的应力和振动。未来的工作范围是创建单独的设计数据，以便为涂层齿轮制造齿轮生产进行制造设计。

原始文献：

M. Karthick, Ch. Siva Ramakrishna, R. Pugazhenthi, Nitin Gudadhe, S. Baskar,  Renu, Rajan Kumar,

Contact stress analysis of xylon coated spur gear using ANSYS workbench,

Materials Today: Proceedings,

2023,

,

ISSN 2214-7853,

http://ifbfh1b13095ec5284139s0f9qkkqkn9fx6koqfgac.eds.tju.booktsg.com/10.1016/j.matpr.2023.03.572.

(http://ifbfh253cb3a601b84ef2s0f9qkkqkn9fx6koqfgac.eds.tju.booktsg.com/science/article/pii/S2214785323016395)

文章来源：本硕博工程师俱乐部