基于ANSYSWorkbench的摩擦焊机齿轮啮合过程分析

【摘 要】本文主要以摩擦焊机的齿轮为研究对象，对其在工作过程中齿轮的啮合情况进行了仿真，并探究了各个齿轮在啮合过程中的应力分布情况，解释了在啮合初始阶段应力出现峰值的原因。然后结合整个过程，齿轮的应力一直小于其材料的屈服强度，所以认为齿轮的设计较为合理。此外，通过对齿轮静力分析，发现其在载荷之下应变较小，所以几乎不可能发生异常啮合的情况。

【关键词】摩擦焊；齿轮啮合；应力应变；有限元分析

中图分类号： TH122；TG659 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）11-0042-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.017

【Abstract】In this paper， the gears of the steel-claw friction welding machine are mainly studied. The meshing of the gears in the working process is simulated. The Distribution of stress on each gear is explored in the meshing process， and also giving the reason for the peak stress in the stage at the initial meshing process. Finally， in conjunction with the entire process， the stress of the gear has always been less than the yield strength of its material， so it is considered that the design of the gear is reasonable. In addition， through the static analysis of the gear， it was found that the strain under the load is small， so it is almost impossible to happen abnormal engagement.

【Key words】Claw Friction Welding Machine； Gear meshing； Stress strain；Finite element analysis

0 引言

主轴箱是摩擦焊机的核心部件，主要是用来安装主轴以及其他传动零件[1]，此外还有传递力的作用。摩擦焊机在工作时，电机需要向主轴输送的扭矩，这对于其内部的齿轮啮合强度是一项巨大的考验[1-2]，所以必须要对齿轮的啮合情况进行分析研究，从而来确认摩擦焊机的齿轮设计的合理性。本文以主轴箱内部传动齿轮为研究对象，利用ANSYSWorkbench软件中的瞬态动力学模块对齿轮的啮合传动过程进行仿真，意为了解齿轮在较大的扭矩载荷之下，齿轮的啮合时齿轮内部应力分布和齿的应变。

1 齿轮有限元模型建立

1.1 齿轮参数

摩擦焊机在工作时，传动系统需要为焊接件提供的转矩，所以其内部传动系统采用单级多齿轮并联传动，其三维图如图1所示。图中1-4齿轮为安装在输入轴上的主动轮，其以并联的方式一起带动中间的大齿轮转动。为了仿真时减少计算量，在本次仿真过程中，只考虑一个小齿轮与大齿轮的啮合情况。

在工作过程中，小齿轮所连的电机额定功率为160kW，额定转速为750r/min，而在输出端的载荷为，其通过主轴传递到大齿轮之上，成为出齿轮啮合传动时的阻力。由于在整个传动过程中，阻力太大，一般的直齿轮无法兼顾传递动力和保证寿命两方面的要求，所以在本机器中，采用的是圆柱斜齿轮啮合传动其具体参数如表1所示，齿轮的材料都为42CrMo。其屈服强度为930MPa。

1.2 网格划分

在齿轮的啮合传动过程中，主要的应力应变一般都是出现在齿根处，所以可以将齿轮内部的网格划分的较为粗略一点，而在齿处的网格划分的需要密集一些，这样可以使在计算过程中所得到的结果更加符合实际情况[3]。具体网格划分如图2所示，最终等到单元数为228709个，节点数为379726个。

1.3 施加边界条件和载荷

摩擦焊机在工作时，由电机的旋转带动输入轴的旋转，然后在带动小齿轮旋转，最后通过啮合又带动大齿轮转动。整个过程以小齿轮为输入端，輸入固定的转速750r/min，而在大齿轮处输出，相对的在焊接端也会回应一个的阻力扭矩。

此外，由于齿轮为两个不同的构件，且在传动过程中齿面之间会有相互的接触，所以必须进行设置以让软件确认接触面的位置及接触的方式[4]。在本次仿真中，主要是选定各个齿轮的齿面为接触面，接触方式为有摩擦滑动，以小齿轮齿面向大齿轮齿面进行滑动传动，摩擦系数设置为0.05，具体设置如图3所示。

2 结果分析

2.1 瞬态动力学理论

瞬态动力学分析是用于分析结构承受任意的随时间变化载荷动力响应的一种方法[5-7]。瞬态动力学的基本运动方程与通用运动方程相同，即

2.2 有限元计算结果分析

利用ANSYSWorkbench软件中的瞬态动力学模块，对齿轮的啮合过程进行分析，得到如图所示结果。

从图4上可以看出，在两个齿轮啮合传动的过程中，最大应力出现在大齿轮的啮合齿的齿根处，其数值为318MPa。此外，对于该过程中齿轮的齿啮合，可分为即将啮合、正在啮合和即将啮合结束三个阶段具体如

在如图5中显示的，最大的应力发生在中间的正在啮合齿之上，说明在齿轮的啮合过程中，该齿所承受的载荷最大。

图6为大齿轮啮合时应力放大图，从图中看出应力主要分布在三个齿之上，由于斜齿轮的螺旋方向为右旋，且齿轮绕圆心顺时针选择，所以应力主要出现在啮合齿的接触位置。

图7为大齿轮在0.1s的时间过程中，其啮合时的应力变化曲线图，从图中可以看出，曲线在起始阶段波动比较大，且达到了888.61MPa峰值，在这之后，应力又马上减小，到1.25e-2s之后，应力开始趋于稳定，大致稳定在125MPa左右。

图8为小齿轮啮合时应力云图，与大齿轮相对应的，小齿轮的应力主要也分布在三个齿之上，且位置也与大齿轮的相对应。但是数值大小却远小于大齿轮的应力，其最大值为66.191MPa。

图9为小齿轮在0.1s的时间过程中，其啮合时的应力变化曲线图，从图中可以看出，整个过程与大齿轮的较为相似，在初始阶段出现了峰值其大小为867.4MPa，而在这之后，应力又马上减小，到1.25e-2s之后，应力开始趋于稳定，大致也稳定在125MPa左右。

通过整个瞬态过程的分析，已经了解到了齿轮在啮合过程中的应力的分布情况，也通过图7和图9，发现了在齿轮刚开始启动的时候，其上的应力最大。所以接下来需要通过静力学的方法，对齿轮启动的那一瞬间进行分析，了解齿轮在啮合中的齿的应变情况。

如图10和图11为齿轮为在啮合时的静力分析云图，从图上可以出，应变主要发生在齿的两端，且最大的应变发生在刚进入啮合的齿的齿根部位，对于大齿轮，最大的应变为0.0167mm/mm，而在小齿轮上最大的应变则为0.0117mm/mm。说明齿轮在传动时，齿的应变较小，几乎不会发生异常啮合的情况。

在整个啮合过程中，两个齿轮的齿面应力变化过程都是先有较大的应力，然后慢慢趋于稳定，这主要是因为齿轮从初始的停止状态到启动旋转，齿与齿之间会发生碰撞，从而导致了在啮合齿上的应力有较大的变化。此外，在初始阶段阻力扭矩也不太稳定， 处于逐渐增大状态，所以也是齿面应力在初始阶段出现峰值的原因之一。不过，整个过程中的应力也没有大于齿轮材料的屈服强度，所以该齿轮的设计还是合理的。此外，对齿轮进行静力分析，了解了在啮合时的齿的应变情况，最终发现齿在刚进入啮合时，所发生的应变最大，但总体的应变相对较小，不存在引起异常啮合的现象。

3 结论

本文首先通过对摩擦焊机主轴箱内部的齿轮啮合情况进行仿真分析，利用有限元的方法探究了齿轮的啮合传动过程，并以各个齿轮为研究对象，进行了单独的啮合过程应力分布分析，最后观察计算结果发现，在整个过程中应力都小于齿轮材料的屈服强度，所以机器在运作过程中，并不会因为齿轮的啮合而发生机器停车或者焊接质量下降的问题。由于研究整个啮合过程发现，在齿轮刚启动时，出现应力峰值，所以又对齿轮进行静力分析，从而发现在啮合时，齿的最大应变出现在刚进入啮合时的齿的齿根之上，且总体的应变相对较小，不存在引起异常啮合的现象的可能。

【参考文献】

[1]张晓龙，李功宇，吴俊华. TH 65100主轴箱结构动力学分析及改进设计研究[J]. 机床与液压，2008，36（4）：354-356+317.

[2]杨志帮，林吉靓.基于有限元的风力发电机齿轮分析[J]. 机械传动，2013，37（03）：101-109.

[3]李德剛.变速箱变位齿轮分析[J].制造业信息化，2013，02：91-92.

[4]刘笑天，蒋超奇，讲丙云等.ANSYSWorkbench有限元分析工程实例详解[M].北京：中国铁道出版社，2017：145-150.

[5]张卫国，权龙，程珩等.基于真实载荷的挖掘机工作装置瞬态动力学分析[J].机械工程学报，2012，12：102-111.

[6]王凯，姚进，邓星桥.无侧隙端面啮合蜗杆副瞬态动力学分析[J].工程科学与技术，2017.01：87-93.

[7]起雪梅，张敬东.基于ANSYS Workbench的汽车主轴瞬态动力学分析[J].机械，2014，11：38-41.