基于UG和ANSYS Workbench的渐开线齿轮接触分析
余兵浩
(广西工学院 广西柳州 545006)
摘要:渐开线齿轮在工作过程中，齿面磨损较大，利用 UG与ANSYS Workbench的专用接口，将在UG中建立的齿轮实体模型方便地导入到 ANSYS Workbench中，建立接触对，进行网格划分、加载及求解，得到齿轮接触应力大小以及接触压强，对比理论计算的结果，验证了ANSYS Workbench进行有限元接触分析的精确性，为齿轮的优化设计提供了理论依据。 关键词:渐开线齿轮;ANSYS Workbench;接触分析;有限元分析
0 引言
UG是集CAD/CAE/CAM于一体的三维参数化软件，是当今世界最先进的计算机辅助设计、分析和制造软件。广泛应用于航空、航天、汽车、钣金、模具等领域，为用户的产品设计以及加工过程提供了数字化造型和验证手段。与 ANSYS软件有专门的数据接口，通过这个接口可以把模型直接导入到 ANSYS软件中，不仅操作方便、而且可以保证模型尺寸的精度。
ANSYS Workbench是ANSYS的新一代产品研发集成平台，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，拥有与CAD的无缝接口，实现数据的
[1]共享和交换，可进行静力学分析、动力学分析、非线性分析等。
本文从实际问题出发，建立渐开线齿轮接触对的三维有限元模型，在ANSYS Workbench计算得到齿轮接触对的接触应力、接触压强，对比理论计算得出的结果，为齿轮的优化设计提供了有效依据。
1 模型的建立
1.1模型的导入
在UG软件里将渐开线齿轮模型建立完成后，利用 UG与 ANSYS Workbench的专用接口，可以方便快速地将模型导入到 ANSYS Workbench中，导入后的模型如图1 所示 。 1.2 单元类型及材料属性设置
#在对齿轮的三维实体模型进行接触分析时，选取实体单元，大小齿轮材料均为45钢，弹性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3。
1.3设置接触面
因为齿轮在啮合的过成中，是第一对啮合齿在即将分离的时候，第二对齿正好接触，准备啮合，我们选择2对接触面来进行分析。第一对接触面为即将进入啮合的齿的，第二对接触面为即将分离的齿的。接触面的类型选择有摩擦的，其中摩擦系数设置为0.06，刚度系数设置为1.05。
1.4划分网格
因为接触面是我们所要研究的对象，其网格的大小对我们分析的结果非常重要，在这里我们设置网格的尺寸为5mm，一共有两对接触面。网格划分后的单元数为18647，节点数为92480，如图2所示。
1.5 约束与加载
(1)约束。对大小齿轮采用约束除Z方向转动的所有自由度。
(2)加载。齿轮在传动的过程中，由电机输入功率计算在小齿轮轴输入转矩100N?m。
图1三维模型 图2 网格划分 2 接触分析
对齿轮接触对进行求解分析，得到其应力云图，位移云图，接触压强图。确定最大应力点，最大位移，最大接触压强，分别如下图:
图3 应力云图 图4 最大应力分布
图5 位移云图 图6 接触压强分布
从以上分析结果，我们可以看出这对齿轮在接触的过程中，最大应力为112.07(MPa)，分布在节线靠近齿根处;最大位移值为0.49537(mm);最大接触压强为75.731(MPa)，分布在节线靠近齿根处，整个接触过程为线性接触。
在齿轮啮合过程中，节线靠近齿根处是最容易发生断裂的地方，这也是齿轮的主要失效
[2] 形式之一。根据参考文献,齿轮接触应力σ校核公式如下: H
(1)
1/2公式中:Z—区域系数;Z—弹性影响系数，单位为MPa;—齿宽系数;K—载荷系数;HE
T—小齿轮传递的转矩，单位为N?m;d—小齿轮的节圆直径，单位为mm;u—两齿轮的11
直径或齿数比。
用上述公式对齿轮的接触应力进行理论计算，求得最大接触应力为124.91M P a，与分析结果的相对误差为10.28%，这说明通过有限元建立的模型是比较准确的，理论计算出的齿轮接触应力稍大是出于安全的考虑，而利用有限元计算的结果的更接近实际情况，为齿轮的优化设计提供了有效依据。
3 结束语
利用UG与ANSYS Workbench的专用接口，使得模型的导入更加方便、准确，可以看出ANSYS Workbench进行有限元接触分析的是非常精确的，为齿轮的优化设计提供了理论参考。更清楚地了解齿轮所受接触应力的变化规律，接触应力在单齿啮合阶段是相对较大的，且在节线靠近齿根的部分接触应力达到最大值，在远离节线的齿顶部位，接触应力相对较小。利用分析结果，找出设计中的薄弱环节，对齿轮传动进行改进设计。降低了成本，大大提高了企业的生产效率。
参考文献
[1].浦广益。ANSYS Workbench12基础教程与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社，2010. [2].濮良贵，纪名刚。机械设计[M].北京:高等教育出版社，2001.
[3].孙黎，谷风民，杨勇，王春秀。齿轮的接触分析[J].中国科技信息，2008,22:140. [4].刘海娥，张思婉。基于ANSYS的渐开线啮合齿轮有限元分析[J].机械制造与研究，2010，39(1):28-29
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