工程塑料齒輪疲勞壽命有限元分析
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ANSYS是以有限元分析為基礎的大型通用CAE軟件，是世界上第一個(gè)通過(guò)IS09001認可的有限元分析軟件。因此，通過(guò)準確地建立模型、合理的網(wǎng)格劃分與載荷施加以及邊界條件設定，就能得到可靠性較好的計算結果。
對于工程塑料齒輪，由于其材料的力學(xué)性能、熱性能等都與金屬材料有很大區別，其失效形式及失效機理與金屬齒輪也有很大區別。由于塑料齒輪的彈性模量較低，與鋼齒輪嚙合過(guò)程中其赫茲接觸區較大，接觸應力較小，一般不會(huì )出現點(diǎn)蝕等表面失效，所以輪齒在彎曲應力作用下疲勞斷裂或折斷是塑料齒輪的主要失效形式。因此主要對3種情況下的UHMWPE材料齒輪的疲勞壽命進(jìn)行分析。
4.1 UHMWPE材料齒輪無(wú)缺陷情況的疲勞壽命分析
在利用ANSYS進(jìn)行齒輪的疲勞分析前，需要對2嚙合齒輪進(jìn)行接觸分析。按照上文所分析的實(shí)際接觸情況，確定2齒輪單齒嚙合區域最高點(diǎn)位置，并定義接觸類(lèi)型為柔體對柔體的面對面接觸。
取鋼齒輪嚙合面為目標面，用單元Targel69來(lái)定義，取UHMWPE材料齒輪嚙合面為接觸面，用單元Contal71來(lái)定?？梢詮牟藛?Main Menu> Preprocessor>Modeling> Create> Contact Pair)進(jìn)入接觸向導，來(lái)建立目標面接觸面的“接觸對”。也可以采用其他途徑建立接觸對，這屬于A(yíng)NSYS基本操作，本文不再詳述。
接觸對建立完成后進(jìn)入靜強度求解過(guò)程，主動(dòng)齒輪為鋼齒輪，傳遞力矩為6N·m，ANSYS計算所得UHMWPE材料齒輪齒根處的應力如圖4所示。從應力云圖中可以看出：最大應力發(fā)生在UHMWPE材料齒輪齒根處，節點(diǎn)號為：2279，應力值為：32.1MPa。
圖4 UHMWPE材料齒輪齒根處應力云圖工程塑料齒輪ANSYS疲勞分析的步驟為：首先進(jìn)入后處理POST1，恢復數據庫，然后提取齒根最大彎曲應力處的節點(diǎn)應力并將其儲存，并確定重復次數，最后采用Miner疲勞積累理論計算疲勞壽命并查看結果。
UHMWPE材料齒輪疲勞壽命預測需要的較關(guān)鍵疲勞性質(zhì)是材料的S-N曲線(xiàn)，所研究的UHMWPE材料的S-N曲線(xiàn)如圖5所示。
圖5 UHMWPE材料S-N曲線(xiàn)疲勞分析結果如圖6所示?？梢?jiàn)在文中所設定工作載荷下，該UHMWPE材料齒輪輪齒的疲勞壽命為132800次，累計疲勞系數為0.75301。
圖6 無(wú)缺陷UHMwPE材料齒輪疲勞計算結果4.2 齒問(wèn)存在熔接痕時(shí)UHMWPE材料齒輪的疲勞壽命分析
UHMWPE材料齒輪注塑工藝復雜。工藝控制不當很容易產(chǎn)生熔接痕等注塑缺陷。因此，對存在熔接痕缺陷的UHMWPE材料齒輪進(jìn)行分析，可以確定該缺陷的不同位置對齒輪疲勞破壞的影響程度。這對工程塑料齒輪的注塑工藝，澆口位置安排等都有一定的指導意義。
在利用ANSYS分析存在熔接痕缺陷的工程塑料齒輪時(shí)，將熔接痕等效為I型裂紋問(wèn)題，并采用KSCON命(Main Menu>Preprocessor> MeshShapeSize> Concentrat KPs-Create)，使ANSYS自動(dòng)圍繞熔接痕尖端關(guān)鍵點(diǎn)生成奇異單元，然后進(jìn)行分析求解。假設在兩輪齒間存在一條長(cháng)為1.5mm的熔接痕，熔接痕位置和尺寸如圖7所示。
圖7 齒間熔接痕尺寸疲勞分析結果顯示：在齒間存在較小熔接痕缺陷情況下，UHMWPE材料齒輪輪齒的疲勞壽命為124600次，累計疲勞系數為0.80257。疲勞產(chǎn)生的位置仍未齒根處?？梢?jiàn)，齒間存在較小熔接痕缺陷情況下，缺陷對UHMWPE齒輪疲勞壽命無(wú)較大影響。
4.3 齒根存在熔接痕時(shí)UHMWPE材料齒輪的疲勞壽命分析
假設在齒根處存在一條長(cháng)為1.5 mm的熔接痕，熔接痕位置和尺寸如圖9所示。
圖9 齒根熔接痕尺寸疲勞分析結果為:疲勞破壞發(fā)生在熔接痕尖端，如圖10所示。齒輪輪齒的疲勞壽命僅為5631次?？梢?jiàn)，在齒根存在較小熔接痕缺陷情況下齒輪很快進(jìn)人疲勞并斷裂破壞。
圖l0 疲勞破壞發(fā)生位置5 結論與展望
1)采用ANSYS有限元技術(shù)可以計算復雜邊界條件下的疲勞問(wèn)題，對工程塑料齒輪的疲勞壽命的確定有一定價(jià)值。
2)通過(guò)ANSYS分析得出:所研究的UHMWPE材料齒輪在無(wú)缺陷情況下的疲勞壽命遠高于齒根存在熔接痕情況下的壽命。
3)當熔接痕靠近UHMWPE材料齒輪齒根處時(shí)，加載后輪齒很快進(jìn)人疲勞并斷裂，因此需要對注塑工藝進(jìn)行優(yōu)化，避免在齒輪齒根處出現熔接痕。
4)很多性能優(yōu)異的工程塑料均可用作為中等載荷的齒輪材料，例如POM，PA66等，利用有限元方法校核其疲勞壽命會(huì )加快設計速度，同時(shí)也提高了可靠性。(end)
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