基于ANSYS／FE―SAFE的齿轮弯曲疲劳仿真分析

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lI齿轮是机械装备中大量使用的关键基础构件 。具有 l传动比准确、运动可靠、传动效率高、机构紧凑等优 ：点。在传递动力为主的诚，仍然具有不可替代的地 l位，如风电机组、航空、高速列车等领域。因此齿轮是 1决定机械装备使用寿命的重要因素之-，其主要失效模 ：式为齿根弯曲疲劳和齿面接触疲劳l。其中，弯曲疲劳破 l坏是常见的破坏形式，主要发生在齿根部位回。轮齿在载 l荷作用下.其根部所产生的弯曲应力最大，且齿根过渡 l圆角及加工刀痕处处有应力集中，在交变应力反复作用 ：下，齿根处将产生疲劳裂纹，裂纹扩展导致轮齿弯曲疲 I劳折断3j。-般采用单齿弯曲疲劳试验来测试齿轮的弯曲 l疲劳极限，但该试验需要有-定的数据积累和花费较长 l的时间进行试验14]。对于工程需求而言，过长的试验时间 ：I - 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - I修稿日期：2013-04-08 1基金项 目：国家科技 支撑计 划项 目(2012BAH08F01) I作者简介：常思伟(1959-)，男，工程师。研究方向：齿轮设 计：赵向飞(1984-)，男，博士生。研究方向：机械传动。 l会造成工期的延长和成本的增加 ，因此寻求-种测定齿轮弯曲疲劳极限的方法是必要的。

为满足上述要求 ，本文先采用 Ansys的 APDL语言建立有限元模型进行齿根应力仿真分析 。然后将模型导人 FE-SAFE软件对齿根进行弯曲疲劳寿命仿真分析。

并将结果与以往试验结果进行比较，表明该方法可以满足工程需求 ，大大缩短研制成本和产品开发周期。

1 渐开线齿轮齿根弯 曲应力仿真分析仿真齿 轮参数如表 1表示 ，该齿 轮 由滚 刀加工 ，刀顶圆角半径 0.38m。in代表模数。

表 1齿轮参数旨数z l模数m l压力角 (。)l齿顶高系数h l顶隙系数c l齿宽b1.1齿轮有限元模型的生成- 般渐开线曲线的方程如下 ：I x-- ： c。s。!± -(inv 厂inv )]ly sin[ -(inv%-invcx)· 制造业信息化 ·区采用 4级恒定应力水平成组试验法 ，用测得数据拟合疲劳曲线倾斜段方程 ；在长寿命区 ，采用应力升降试验法 ，以所得数据确定疲劳 曲线水平段方程。以齿轮折断或齿轮裂纹扩展致使试验机声音突变作为失效判据。图7是根据单齿弯曲试验数据通过最小二乘法拟合的S-N曲线，可以看出试验疲劳极限值为471.7Mpa。仿真结果与试验结果相 比，增 大了 6%.这是因为仿真只考 虑了表面粗糙度和应力集中系数，并未考虑裂纹等其它表面损伤 ，所以弯曲疲劳极限偏大。

3 结论(1)由齿轮的渐开线和齿根过渡曲线方程 ，通过 an。

sys的 APDL语 言建立 了轮齿的有限元模型并 进行 了齿根应力仿真分析。

(2)将弯曲应力分析结果导入 ANSYS FE-SAFE软件进行弯曲疲劳寿命仿真，并对结果进行直线拟合，仿真结果显示疲劳极限值为 500Mpa～仿真结果与试验结果进行 比较 ，增大了 6%。

(3)这是 因为仿真只考虑了表面粗糙度和应力集 中系数，并未考虑裂纹等其它表面损伤，故偏大。但仿真结果 仍然满足工程需求 ，大大缩 短研制成本和产 品开发周期。