轮齿侧隙对齿轮传动性能影响的深入研究

一、计算任务书                                                            

计算对象：主、从动齿轮啮合。

齿轮材料：合金钢

计算目的：计算不同啮合侧隙情况下，齿轮的啮合力。计算工况见表1。

计算工况： 主动齿轮转速XXrpm；主动齿轮输入扭矩XXN·m；功率XXkw。

表1 计算工况表

二、数值计算模型

案例使用通用非线性有限元计算软件LS-DYNA完成计算，使用HYPERMESH和LS-PREPOST软件完成前后处理。LS-DYNA软件在处理显式问题方面处于国际领先地位，被广泛运用到爆炸、冲击、碰撞、成型、地震等行业，关于软件的介绍不再赘述。

根据计算任务书并查阅相关文献，本次计算的目的是考虑齿轮侧隙对啮合力的影响，综合考虑显式有限元计算齿轮啮合的效率和目前的软硬件情况，可将齿轮结构的轮齿部分和其应力影响区的结构作为重点考察对象，忽略刚度较大的腹板和齿轴部分，用于有限元计算的几何模型见图1。

为了保证计算精度，提高计算效率，采用纯六面体体单元对几何模型进行离散，并对轮齿部分进行了加密，离散后的显式单元总数82452个，节点共107167个，网格模型见图2。使用LS-DYNA中的通用面-面接触定义主从齿轮间的啮合关系，所有可能出现的齿面非线性接触都参与计算，接触定义示意见图3。使用LS-DYNA中的MAT1定义齿轮材料，定义卡片见图4。

由于有限元计算理论中，弹塑性的体单元不具备旋转自由度，案例使用LS-DYNA中的RIGID材料组引入旋转自由度，对模型完成加载和负载，加载示意图见图5。

计算模型的单位制为t、mm、s、N、MPa等。控制计算啮合时间3s，小齿轮转过7圈。控制计算时间步长为2.7e-7，使用内存12GB、8核心计算，单工况耗费的CPU时间约38小时。通过曲线和缩放系数对小齿轮施加转速xxxrpm，为从动齿轮施加扭矩xxxN·m。为了使计算顺利进行，在加载曲线的起始部分做一段线性的斜坡，以免出现数值不稳定，加载曲线见图6，负载曲线见图7。

图1 几何模型

图2 网格模型

图3 轮齿接触（红色代表主面）

图4 材料设置

图5 加载示意图

图6 加载曲线

图7 负载曲线

三、结果与分析

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