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1、第2 6 卷第6 期2 0 0 8 年1 2 月轻工机械L B i t 正n d a s t r yM a 曲呻V 0 1 2 6N o 6D 2 0 0 8 研究设计垂程塑料齿轮疲劳寿命有限元纷析邓小雷，周兆忠，汪建平，吴明明(浙江工业大学浙西分校机电控制系，浙江衢州3 2 4 0 0 0)摘要：采用有限元方法对超高相对分子质量聚乙烯(U H M W P E)工程塑料齿轮无缺陷情况和存在不同程度熔接痕缺陷情况的疲劳寿命进行了分析，得出了利用A N S Y S 对工程塑料齿轮疲劳寿命进行分析的方法以及上述情况下的疲劳寿命。采用了符合实际啮合情况的接触模型与裂纹模型，首先得到了在正常工作情况下齿
2、轮最容易发生疲劳处的节点应力，然后通过输入S N 曲线，并采用M i n e r 疲劳积累理论对应力最大处的节点进行疲劳分析。A N S Y S 疲劳分析结果表明：熔接痕缺陷的位置对该材料齿轮的疲劳寿命有较大影响。关键词：工程塑料；有限元法；齿轮；疲劳：熔接痕中图分类号：T P 3 9 1 7文献标志码：A文章编号：1 0 0 5-2 8 9 5(2 0 0 8)0 6-0 0 4 4-0 4F i n i t eE l e m e n tA n a l y s i so fE n g i n e e r i n gP l a s t i c sG e a rF a t i g u eL i
3、f eD E N GX i a o-l e i，Z H O UZ h a o z h o n g，W A N GJ i a n p i n g，W UM i n g m i n g(D e p a r t m e n to fM e c h a n i c a la n dE l e c t r o n i cC o n t r o lE n g i n e e r i n g，T h eW e s tB r a n c ho fZ h e j i a n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g)r；Q u z h o u3 2 4 0 0 0，C h
4、 i n a)A b s t r a c t：T h ef i n i t ee l e l n e n tm e t h o dw a su s e di nt h ea n a l y s i so ft h ef a t i g u eZ 咖o fu l t r a h i g hm o l e c u l a rw e 留h tp o l y e t h y l e n e(U H M W P E)e n g i n e e r i n gp l a s t i c sg e a rw i t h o u t 皿嬲o rw i t hd i f f e r e n tl e v e l
5、 so ft h ed e f e c t i v ew e l dm a r k s T h em e t h o d so fu s i n gA N S Y St oa n a l y 毖t h ef a t i g u e 蜘h a db e e no b t a i n e d B yu s i n gt h e a c t u a lc o n t a c tm o d e la n dt h ec r a c km o d e l，f i r s t l y，t h en o d es t r e s sw h i c hw a sa p tt of a t i g u eu n
6、 d e rn o r m a lw o r k i n gc o n d i t i o nh a db e e nf o u n do u t A n dt h e nt h ef a t i g u el i f eo ft h em 默i u ms t r e s sn o d eh a db e e na n a l y z e db yi m p o r t i n gS-Nc u r v ea n du s i n gM i n e ra c c u m u l a t e df a t i g u et h e o r y A N S Y Sf a t i g u ea n a
7、 l y s i ss h o w e dt h a tt h el o c a t i o no fm e l d i n gd e f e c t sh a sg r e a t l yi r d l u n c eo nt h ef a t i g u el i f eo ft h eg e a r K e yw o r d s：e n g i n e e r i n gp l a s t i c s；F E M(f i n i t ee l e m e n tm o t h o d)；g e a r；f a t i g u e；w e l dm a r k s1齿轮的疲劳破坏疲劳是一种
8、十分有趣的现象，当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比屈服极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料或结构的破坏现象就叫做疲劳破坏。如图1 所示，表示齿轮啮合时作用于齿轮上的力。齿轮每旋转一周，轮齿啮合一次。啮合时，F 由零迅速增加到最大值，然后又减小为零。因此，齿根处的弯曲应力o r 也由零迅速增加到某一最大值再减小为零。此过程随着齿轮的转动也不停的重复。应力矿随时间t 的变化曲线如图2 所示。在现代工业中，很多零件和构件都是承受着交变载荷作用，工程塑料齿轮就是其中的典型零件。工程塑料齿轮因其质量小、自润滑、吸振好、噪声低等优
9、点在纺织、印染、造纸和食品等传动载荷适中的轻工机械中应用很广。图l 齿轮啮合时受力情况疲劳破坏与传统的静力破坏有着许多明显的本质差别：收稿1 3 期：2 0 0 8-0 5-2 7作者简介：x l s J b 雷(1 9 8 1 一)，男，浙江衢州人，硕士研究生，主要研究领域为现代制造业信息化技术。万方数据 研究设计】邓小雷，等工程塑料齿轮疲劳寿命有限元分析4 5 日皇bR毯时间t s图2 齿根应力随时间变化曲线1)静力破坏是一次最大载荷作用下的破坏；疲劳被坏是多次反复载荷作用下产生的破坏，它不是短期内发生的，而是要经历一定的时间。2)当静应力小于屈服极限或强度极限时，不会发生静力破坏；而交变
10、应力在远小于静强度极限，甚至小于屈服极限的情况下，疲劳破坏就可能发生。3)静力破坏通常有明显的塑性变形产生；疲劳破坏通常没有外在宏观的显著塑性变形迹象，事先不易觉察出来，这就表明疲劳破坏具有更大的危险性。工程塑料齿轮的疲劳寿命，是设计人员十分关注的课题，也是与实际生产紧密相关的问题。然而，在疲劳载荷作用下的疲劳寿命计算十分复杂。因为要计算疲劳寿命，必须有精确的载荷谱，材料特性或构件的5 曲线，合适的累积损伤理论，合适的裂纹扩展理论等口训。本文对工程塑料齿轮疲劳分析的最终目的，就是要确定其在各种质量情况下的疲劳寿命。通过利用有限元方法和C A E 软件对工程塑料齿轮的疲劳寿命进行分析研究有一定工
11、程价值。2 工程塑料齿轮材料的确定超高分子量聚乙烯(U H M W P E)是一种综合性能优异的新型热塑性工程塑料，它的分子结构与普通聚乙烯(P E)完全相同，但相对分子质量可达(1 4)1 0 6。随着相对分子质量的大幅度升高，U H M W P E 表现出普通P E 所不具备的优异性能，如耐磨性、耐冲击性、低摩擦系数、耐化学性和消音性等口J。U H M W P E 耐磨性居工程塑料之首，比尼龙6 6(P A 6 6)高4 倍，是碳钢、不锈钢的7 8 倍。摩擦因数仅为0 0 7 0 1 1，具有自润滑性，不粘附性旧J。因此，本文选用U H M W P E 作为工程塑料齿轮材料进行研究。U H
12、 M W P E 性能见表l。由于U H M W P E 导热性能较差，所以与其啮合的齿轮选用钢材料。这样导热性好、摩损小，并能弥补工程塑料齿轮精度不高的缺点。2 啮合齿轮均为标准直齿圆柱齿轮，参数为：U H M W P E 齿轮齿数3 0，钢齿轮齿数2 0，模数4m m，齿宽2 0m m，压力角取为2 0o。表1超高相对分子质量聚乙烯性能3U H M W P E 材料齿轮疲劳分析模型的建立齿轮在啮合过程中，轮齿如同受线载荷的悬臂梁，齿根所受的弯矩最大，因此齿根处的弯曲疲劳强度最弱。当轮齿在齿顶处啮合时，处于双对齿啮合区，此时弯矩的力臂虽然最大，但力并不是最大，因此弯矩并不是最大。根据分析，齿
13、根所受的最大弯矩发生在齿轮啮合点位于单对齿啮合区最高点时。因此，在建立U H M W P E 材料齿轮疲劳分析模型时，应该建立载荷作用于单对齿啮合区最高点。由机械原理”1 渐开线齿轮连续传动条件分析方法，可以得出单对齿轮啮合最高点。然后利用C A X A软件的齿轮建模功能和数据转换功能悼1 建立U H M W P E 材料齿轮疲劳分析模型如图3 所示。图3U H M W P E 材料齿轮疲劳分析模型4 利用A N S Y S 分析U H M W P E 材料齿轮疲劳寿命A N S Y s 是以有限元分析为基础的大型通用C A E软件，是世界上第一个通过I S 0 9 0 0 1 认可的有限元分
14、析软件。因此，通过准确地建立模型、合理的网格划分与载荷施加以及边界条件设定，就能得到可靠性较好的计算结果。对于工程塑料齿轮，由于其材料的力学性能、热性能等都与金属材料有很大区别，其失效形式及失效机理与金属齿轮也有很大区别。由于塑料齿轮的弹性模量较低，与钢齿轮啮合过程中其赫兹接触区较大，接触应力较小，一般不会出现点蚀等表面失效，所以轮齿在弯曲应力作用下疲劳断裂或折断是塑料齿轮的主要失效形式。因此主要对3 种情况下的U H M W P E 材料齿轮的疲劳寿命进行分析。4 1U H M W P E 材料齿轮无缺陷情况的疲劳寿命分析在利用A N S Y S 进行齿轮的疲劳分析前，需要对2万方数据4 6
15、 轻工机械口g b fI n d u s t r yM a c h i n e D,2 0 0 8 年第6 期啮合齿轮进行接触分析。按照上文所分析的实际接触情况，确定2 齿轮单齿啮合区域最高点位置，并定义接触类型为柔体对柔体的面对面接触。取钢齿轮啮合面为目标面，用单元T a r g e l 6 9 来定义，取U H M W P E 材料齿轮啮合面为接触面，用单元C o n t a l 7 1 来定。可以从菜单(M a i nM e n u P r e p r o c e s s o r M o d e l i n g C r e a t e C o n t a c tP a i r)进入接触向
16、导，来建立目标面接触面的“接触对”。也可以采用其他途径建立接触对，这属于A N S Y S 基本操作，本文不再详述。接触对建立完成后进入静强度求解过程，主动齿轮为钢齿轮，传递力矩为6N m，A N S Y S 计算所得U H M W P E 材料齿轮齿根处的应力如图4 所示。从应力云图中可以看出：最大应力发生在U H M W P E 材料齿轮齿根处节点号为：2 2 7 9，应力值为：3 2 1M P a。图4U H M W P E 材料齿轮齿根处应力云图工程塑料齿轮A N S Y S 疲劳分析的步骤为一】：首先进入后处理P O S T l，恢复数据库，然后提取齿根最大弯曲应力处的节点应力并将其
17、储存，并确定重复次数，最后采用M i n e r 疲劳积累理论计算疲劳寿命并查看结果。U H M W P E 材料齿轮疲劳寿命预测需要的较关键疲劳性质是材料的S 一曲线，所研究的U H M W P E 材料的S 一曲线如图5 所示。6 0日5 0皇4 0-氆R3 0斗 P r e p r o c e s s o r M e s h S h a p e&S i z e C o n e e n 打a tK P s C r e a t e)，使A N S Y S自动围绕熔接痕尖端关键点生成奇异单元，然后进行分析求解。假设在两轮齿间存在一条长为1 5m m 的熔接痕，熔接痕位置和尺寸如图7 所示。熔接
18、痕位置图7 齿间熔接痕尺寸疲劳分析结果如图8 所示。结果显示：在齿间存在较小熔接痕缺陷情况下，U H M W P E 材料齿轮轮齿的疲劳寿命为1 2 46 0 0 次，累计疲劳系数为0 8 0 25 7。疲劳产生的位置仍未齿根处。可见，齿间存在较小熔图8 齿间存在缺陷U H M W P E材料疲劳计算结果万方数据 研究设计】邓小雷，等工程塑料齿轮疲劳寿命有限元分析4 7 情况下齿轮很快进入疲劳并图9齿根熔接痕尺寸断裂破坏。图l O 疲劳破坏发生位置5 结论与展望1)采用A N S Y S 有限元技术可以计算复杂边界条件下的疲劳问题，对工程塑料齿轮的疲劳寿命的确定有一定价值。2)通过A N S
19、Y S 分析得出：所研究的U H M W P E 材料齿轮在无缺陷情况下的疲劳寿命远高于齿根存在熔接痕情况下的寿命。3)当熔接痕靠近U H M W P E 材料齿轮齿根处时，加载后轮齿很快进入疲劳并断裂，因此需要对注塑工艺进行优化，避免在齿轮齿根处出现熔接痕。4)很多性能优异的工程塑料均可用作为中等载荷的齿轮材料，例如P O M，P A 6 6 等，利用有限元方法校核其疲劳寿命会加快设计速度，同时也提高了可靠性。参考文献：1】陈传晓疲劳与断裂 M 武汉：华中科技大学出版社，2 0 0 2 2 1W O O D SJL，D A N I E W I C ZSR，N E L L U M SR I n
20、 c r e a s i n gt h eb e n d i n gf a t i g u es t m s t ho fe a r b u f i z e dt q 口u rg e a rt e e t hb yp r e s e t t i n g J】I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fF a t i g u e，1 9 9 9，2 1(6)：5 4 9-5 5 6 3】M A R KWD，R E A G O RCP M C P H E R S O NDR A s s e s s i n gt h er o l eo fp l a s t i
21、 cd d o r m a t i o ni ng e a r-h e a l t hm o n i t o r i n gb yp r e c i s i o nm e a s u r e m e n to f 缸1 e dg e m J】M e c h a n i c a lS y s t e m sa n ds i s m lP r o c e s s i n g，2 0 0 7 2 1(1)：1 7 7 1 9 2【4】钱学教销齿副齿轮的抗疲劳设计 J 轻工机械，2 0 0 7，2 5(3)：7 1-7 3 5】吴敏张林，纪洪波U H M W P E 的物理改性研究进展及其加工成型工艺
22、 J 石化技未，2 0 0 7，Z 4(1)：6 0 6 4 6 樊新民，车剑飞工程塑料及其应用 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 6 7】郑文纬。吴克坚机械原理 M】北京：高等教育出版社，1 9 9 5 8 邓小雷，姜伟，柴国钟，等基于S o l i d W o r k s 和C A X A 数据交换的支盘成形机减速齿轮设计研究 J】机械设计与制造，2 0 0 7(4)：7 5 7 7 9 1小飒工作室最新经典A N S Y S 及W o r k b e n c h 教程 M 北京：电子工业出版社。2 0 0 4 信囊篱诩】企业管理全国包装机械标准化技术委员会成立7 月1 6 日，国家标
23、准委以标委办综合 2 0 0 8 1 2 1 0 号文批复成立全国包装机械标准化技术委员会，其编号为S A C T C A 3 6 0 第一届全国包装机械标准化技术委员会由3 1 名委员组成，许占林任主任委员，肖衡、罗邦毅任副主任委员，陈润洁任委员兼秘书长，秘书处承担单位为合肥通用机械研究院。全国包装机械标准化技术委员会主要负责包装机械及配套设备的基础、产品、方法(不含直接与食品接触的包装机械)等领域的国家标准制修订工作。(摘自机经网)2 0 0 8-0 9 2 3)企业管理凹版纸基装潢印刷品行业标准1 2 月开始实施Q B T 3 0 0 7 2 0 0 S(凹版纸基装潢印刷品行业标准，已由中国轻工联合会审定后报请国家发展和改革委员会批准(公告2 0 0 8年第4 4 号)，自2 0 0 8 年1 2 月1 日起在全国实施。此标准是根据凹版纸基包装印刷品行业的生产需要和技术进步提出并制定的，主要适用于凹版E 3$t J 工艺生产的纸张或以纸张为基材的复合包装材料的包装印刷品。通过对行业凹版纸基包装印刷产品质量要求等进行调查、收集、分析和研究，制定并形成了此行业标准，同时对凹版纸基包装印刷品的分类、要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输等作出了规定。(摘自中国纸网)2 0 0 s-0 9 1 9)万方数据