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基于热弹变形的高速重载齿轮修形研究

作　者: 姚阳迪
导　师: 林腾蛟
学　校: 重庆大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 齿轮温度场热-结构耦合分析齿轮修形有限元法
分类号: TH132.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

齿轮传动是现代工业最常用的传动形式之一。随着工业技术的发展,对齿轮性能提出了越来越高的要求,如船舶、风电、矿山等行业的关键设备均要求齿轮传动具备传递功率大、转动速率高及使用寿命长等特点,此时就必须考虑温度对齿轮修形的影响。论文课题来源于重庆市科技攻关计划项目“高性能船舶用齿轮箱系统关键技术及产业化”(CSTC:2007AB3030)。基于齿轮啮合原理、轮齿接触分析、摩擦学和传热学,以解析计算方法与有限元分析法相结合为手段,针对高速重载齿轮系统,开展齿轮弹性接触、对流传热、齿轮温度场及齿廓修形研究。本文的主要研究工作如下:①利用赫兹接触理论以及弹性接触有限元法计算齿轮接触压力,根据齿轮啮合原理计算齿轮啮合过程中主从动轮相对滑动速度,考虑齿面粗糙度、润滑油温度及动力粘度等影响,计算齿面摩擦系数,得出齿面热流量,并分析其变化规律和影响因素。②综合考虑齿轮转速,润滑油热传导率、密度、比热、运动粘度以及间隙冷却过程中的标准化总冷却量等的影响,建立在润滑条件下齿轮端面以及轮齿啮合面的对流传热系数的计算方法,分析对流传热系数的分布规律及影响因素。③建立齿轮本体温度有限元分析模型,根据轮齿本体温度的热平衡方程,加载热边界条件,利用ANSYS进行齿轮本体温度场求解,并讨论影响齿轮本体温度场分布规律的相关因素。④将齿轮温度场引入弹性接触分析模型中进行热-结构耦合仿真分析,计算齿轮的热弹变形;在此基础上,进行齿轮修形研究,确定基于热弹变形的理想齿轮修形曲线。⑤根据上述计算方法,以Visual Basic软件为平台,结合ANSYS进行二次开发,研制齿轮温度场及热弹变形计算软件,为齿轮修形提供方便快捷的技术手段。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-9
1 绪论  9-15
  1.1 课题背景及其研究意义  9
  1.2 国内外研究概况  9-13
    1.2.1 渐开线圆柱齿轮温度场研究  10-11
    1.2.2 渐开线圆柱齿轮热弹变形及修形研究  11-12
    1.2.3 热-结构耦合CAE 软件  12-13
  1.3 本文的主要研究内容  13
  1.4 本章小结  13-15
2 高速重载齿轮副接触分析  15-33
  2.1 引言  15
  2.2 齿轮啮合接触分析  15-17
  2.3 赫兹公式计算齿面接触压力  17-24
    2.3.1 赫兹接触理论介绍  17-19
    2.3.2 垂直于接触线的法向力  19
    2.3.3 啮合点曲率半径  19-22
    2.3.4 接触线的长度  22-23
    2.3.5 齿面接触压力计算  23-24
  2.4 有限元法计算齿面接触压力  24-30
    2.4.1 ANSYS 接触求解方法  24
    2.4.2 轮齿几何模型及边界条件  24-29
    2.4.3 齿面接触压力计算  29-30
  2.5 两种计算齿面接触压力方法对比  30-32
  2.6 本章小结  32-33
3 高速重载齿轮热边界条件  33-55
  3.1 引言  33
  3.2 齿面相对滑动速度计算及变化规律分析  33-35
  3.3 齿面摩擦系数计算及分布规律分析  35-41
    3.3.1 R F Handschuh 和T P Kicher 摩擦系数计算公式  35
    3.3.2 AGMA217-01 设计规范摩擦系数计算公式  35-37
    3.3.3 Kelley 和Lemanski 摩擦系数计算公式  37
    3.3.4 寺内吉雄等摩擦系数计算公式  37
    3.3.5 Buckingham 摩擦系数计算公式  37-38
    3.3.6 Cameron 摩擦系数计算公式  38-39
    3.3.7 摩擦系数计算方法讨论  39-41
  3.4 齿面摩擦热流量的计算及分布规律分析  41-44
    3.4.1 齿面摩擦热流量计算  41-42
    3.4.2 齿面摩擦热流量分析计算实例  42-44
  3.5 齿轮对流传热分析  44-49
    3.5.1 齿轮端面对流传热计算方法一  44-46
    3.5.2 齿轮端面对流传热计算方法二  46-47
    3.5.3 齿轮齿面对流传热计算方法一  47
    3.5.4 齿轮齿面对流传热计算方法二  47-49
  3.6 轮齿端面对流传热实例分析  49-53
    3.6.1 直齿轮对流传热系数  49-51
    3.6.2 斜齿轮对流传热系数  51-53
  3.7 本章小结  53-55
4 高速重载齿轮本体温度场有限元分析  55-67
  4.1 引言  55
  4.2 热分析基本理论  55-56
  4.3 齿轮温度场有限元分析方法  56-58
    4.3.1 轮齿瞬态温度的热平衡方程与边界条件  56-57
    4.3.2 轮齿本体温度的热平衡方程与边界条件  57-58
  4.4 齿轮热边界条件  58-59
  4.5 齿轮本体温度场分析  59-65
    4.5.1 直齿轮齿面温度场  59-60
    4.5.2 斜齿轮齿面温度场  60-61
    4.5.3 斜齿轮齿面温度场相关影响因素及分布规律  61-65
  4.6 本章小结  65-67
5 高速重载齿轮热弹变形及齿廓修形  67-77
  5.1 引言  67
  5.2 齿轮啮合的特性  67-68
  5.3 高速重载齿轮齿轮副热弹变形分析  68-72
  5.4 高速重载齿轮齿廓修形  72-76
    5.4.1 齿轮齿廓修形原理  72-74
    5.4.2 齿轮齿廓修形分析  74-76
  5.5 本章小结  76-77
6 高速重载齿轮修形软件开发  77-91
  6.1 引言  77
  6.2 ANSYS 二次开发语言APDL 简介  77
  6.3 Visual Basic 程序开发语言简介  77-78
  6.4 基于热弹变形的高速重载齿轮修形软件开发  78-89
    6.4.1 程序总体设计  78-81
    6.4.2 齿轮参数计算模块设计  81-82
    6.4.3 齿轮副齿面压力计算模块设计  82-83
    6.4.4 齿轮本体温度场分析模块设计  83-86
    6.4.5 齿轮热弹变形及修形模块设计  86-87
    6.4.6 后处理模块设计  87-89
  6.5 本章小结  89-91
7 结论与展望  91-93
  7.1 结论  91
  7.2 展望  91-93
致谢  93-95
参考文献  95-99
附录  99
  A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录  99
  B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目  99

基于热弹变形的高速重载齿轮修形研究

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