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基于接触动力学的螺旋锥齿轮动态啮合性能有限元分析研究

作　者: 彭方进
导　师: 唐进元
学　校: 中南大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 螺旋锥齿轮动态啮合性能接触动力学 ANSYS/LS_DYNA 惯性载荷
分类号: TH132.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

螺旋锥齿轮作为机械装备中的动力与运动传递装置的关键零部件,广泛应用于汽车、航空、船舶等行业中,并朝着高速、重载的方向发展。螺旋锥齿轮的啮合接触冲击特性和动态接触性能的好坏严重影响其整机的工作性能。本文从螺旋锥齿轮的啮合原理、动力学基本理论以及实际工况等几个方面对螺旋锥齿轮动态啮合性能分析研究的必要性进行了讨论。螺旋锥齿轮动态啮合问题是一个边界条件高度非线性的接触动力学问题。本文根据接触动力学、显式非线性有限元的基本理论和方法,提出了考虑惯性载荷的螺旋锥齿轮动态啮合分析有限元模型,并对有限元网格模型进行了优化,为客观、准确地分析螺旋锥齿轮的动态啮合性能提供了必要的准备。研究表明,惯性载荷对螺旋锥齿轮动态啮合性能有显著影响。基于合理的有限元模型,对螺旋锥齿轮的啮合接触冲击特性和动态接触性能进行了深入研究。得到了螺旋锥齿轮动态啮合过程的啮合接触冲击曲线,以及齿面接触力、齿面接触应力、齿根弯曲应力和轮齿接触区等动态接触特性的变化规律。以转速和负载两个典型的工作条件因素为例,建立对比分析模型,研究转速和负载对螺旋锥齿轮动态啮合性能的影响。转速对螺旋锥齿轮动态啮合性能影响显著,而负载对螺旋锥齿轮的动态啮合性能影响则跟转速有关。研究文献表明,轴的变形对于螺旋锥齿轮强度有着明显的影响。意外的轴变形将造成严重的边缘载荷,将减少齿轮寿命,并产生噪音。因此,本文还研究了动态啮合过程中轴变形的变化规律,及其对螺旋锥齿轮动态啮合性能的影响。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-20
  1.1 课题来源  9
  1.2 引言  9-13
    1.2.1 螺旋锥齿轮的传动特性及其发展方向  9
    1.2.2 螺旋锥齿轮动态啮合性能的主要研究内容  9-10
    1.2.3 螺旋锥齿轮动态啮合性能研究的必要性分析  10-13
  1.3 螺旋锥齿轮动态啮合性能的研究现状  13-18
    1.3.1 螺旋锥齿轮强度分析研究现状  13-17
    1.3.2 螺旋锥齿轮动力学分析研究现状  17-18
    1.3.3 研究现状小结  18
  1.4 本论文主要研究内容  18-19
  1.5 本章小结  19-20
第二章应用LS_DYNA求解接触动力学问题的方法研究  20-29
  2.1 LS_DYNA简介及接触动力学有限元分析方法  20-24
    2.1.1 LS_DYNA简介  20
    2.1.2 基于LS_DYNA接触动力学有限元分析方法  20-24
  2.2 基于接触动力学有限元分析方法和LS_DYNA的一个应用案例  24-26
    2.2.1 工程案例简介  24-25
    2.2.2 基于接触动力学方法和LS_DYNA的有限元分析及碰撞实验  25-26
  2.3 应用LS_DYNA求解接触动力学问题的几个技术要点  26-28
    2.3.1 合理的有限元模型的建立  26-27
    2.3.2 合理的边界条件施加  27
    2.3.3 接触界面的定义与控制  27-28
    2.3.4 分析结果的初步判断  28
  2.4 本章小结  28-29
第三章螺旋锥齿轮动态啮合有限元分析模型的建立  29-43
  3.1 几何模型的准备  29-32
    3.1.1 几何模型建立  29-31
    3.1.2 必要的几何处理  31-32
  3.2 有限元网格模型的建立  32-35
    3.2.1 螺旋锥齿轮动态啮合分析的边界加载方法  32-34
    3.2.2 单元选取  34
    3.2.3 单元算法及材料模型选取  34-35
    3.2.4 网格划分  35
  3.3 惯性载荷对动态啮合有限元分析模型的影响  35-38
    3.3.1 惯性载荷对运动特性和齿面接触力的影响  36-37
    3.3.2 惯性载荷对接触区域的影响  37-38
  3.4 阻尼对动态啮合有限元分析模型的影响  38-41
    3.4.1 阻尼对运动特性和齿面接触力的影响  39-40
    3.4.2 阻尼对齿面接触区的影响  40-41
  3.5 关于模型计算结果的初步验证  41-42
  3.6 本章小结  42-43
第四章螺旋锥齿轮动态啮合性能的研究  43-62
  4.1 螺旋锥齿轮动态啮合性能分析  43-47
    4.1.1 螺旋锥齿轮动态啮合的啮合接触冲击分析  43-45
    4.1.2 螺旋锥齿轮齿面动态接触性能分析  45-46
    4.1.3 与NASA报告等相关研究对比  46-47
  4.2 转速对螺旋锥齿轮动态啮合性能的影响  47-49
  4.3 负载对螺旋锥齿轮动态啮合性能的影响  49-54
    4.3.1 工况1(60 rpm)时负载的影响  49-50
    4.3.2 工况2(600 rpm)时负载的影响  50-51
    4.3.3 工况3(1200 rpm)时负载的影响  51-53
    4.3.4 工况4(3600 rpm)时负载的影响  53-54
  4.4 轴变形对螺旋锥齿轮动态啮合性能的影响  54-60
    4.4.1 轴的定义及有限元模型的建立  54-56
    4.4.2 计算结果的查看与分析  56-60
  4.5 本章小结  60-62
第五章实验验证  62-65
  5.1 实验简介  62
  5.2 实验设备  62-63
  5.3 实验准备及步骤  63-64
  5.4 实验结果及比较  64-65
第六章全文总结  65-68
  6.1 论文总结  65-66
  6.2 主要创新点  66
  6.3 后续研究展望  66-68
参考文献  68-74
致谢  74-75
攻读硕士期间主要研究成果  75

基于接触动力学的螺旋锥齿轮动态啮合性能有限元分析研究

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