齿轮弯曲应力的有限元分析
半轴齿轮的ABAQUS有限元模拟实验
Vol. 33,No. 1Mar. 2021第33卷第1期2021年3月河南工程学院学报（自然科学版）JOURNAL OF HENAN UNIVERSITY OF ENGINEERING 半轴齿轮的ABAQUS 有限元模拟实验徐滨（合肥职业技术学院机电工程学院，安徽合肥238000 ）摘要：车桥半轴齿轮是差速器的重要组成部分,在差速器工作中扮演着十分重要的角色。
针对断裂的半轴齿轮进行断 口形貌、成分及硬度分析，并结合有限元模拟分析齿轮失效的原因。
结果表明：齿轮渗碳层厚度约0.8 mm,渗碳层显微组织主 要为硬度较高的针状马氏体和部分残留奥氏体，硬度达785. 1 N/mm 2 ,表面硬化处理与渗碳处理基本符合工况要求。
通过 ABAQUS 模拟发现半轴齿轮最易断裂处位于齿根最靠近边角的部位，与实际工况吻合。
关键词:半轴齿轮;模拟分析;失效分析;ABAQUS中图分类号:TB115 文献标志码:A 文章编号= 1674 - 330X （2021 ）01 -0059 - 03ABAQUS finite element simulation analysis of half shaft gearXU Bin（School of Mechanical and Electrical Engineering , Hefei Polytechnic University, Hefei 238000, China ）Abstract : Axle gears are an important part of the differential mechanism , and play a very important role in the work of the differ ential mechanism. In this paper, the morphology analysis , composition analysis and hardness analysis of the fractured half-shaft gear are earned out, and the cause of the gear failure is analyzed in conjunction with the finite element simulation analysis. The results show that the thickness of the carburized layer of the gear is about 0. 8 mm. The microstmcture of the carburized layer is mainly needle- shaped martensite with higher hardness and part of retained austenite. The hardness reaches 785. 1 N/mm 2. The surface hardening treatment and carburization treatment are basically meet the requirements of working conditions. Through ABAQUS simulation , it is f （）uncl that the most easily broken part of the half-shaft gear is located at the lowermost comer of the tooth root , which is consistent with the actual working condition where the fracture occurs.Keywords ：half-shaft gear ； simulation analysis ； failure analysis ； ABAQUS差速器的精度和可靠性是国内研究的难点。
不同材料齿根弯曲应力
不同材料齿根弯曲应力不同材料齿根弯曲应力的研究在机械工程领域中具有重要的意义。
在设计和制造机械零部件时，了解材料的弯曲应力特性可以帮助工程师选择合适的材料，并优化设计，以确保零部件的稳定性和安全性。
首先，我们来介绍一下什么是齿根弯曲应力。
齿轮是一种常见的机械传动装置，它们由齿根和齿面组成。
齿根是齿轮中齿槽的底部，负责传递力量和承受载荷。
当齿轮在工作过程中受到外部载荷作用时，齿根会发生弯曲变形，产生齿根弯曲应力。
这种应力会改变齿根的形状和尺寸，并对齿轮的功能和寿命产生影响。
不同材料的齿根弯曲应力特性是由材料的物理和力学性质决定的。
常见的材料包括钢、铸铁、铝合金等。
钢具有良好的强度和韧性，能够承受较大的载荷和应力，因此在高负荷和高速传动系统中广泛使用。
铸铁具有较高的硬度和刚性，适用于中等负载和速度传动系统。
铝合金由于其轻质和良好的加工性能，常用于低负载和低速传动系统。
在研究齿根弯曲应力时，除了材料的选择，还需要考虑齿轮的几何形状和加载条件。
齿轮的模数、齿数、跨距等参数会直接影响齿根弯曲应力的大小和分布。
此外，加载条件，例如扭矩、转速和工作温度等因素也会影响齿根弯曲应力的产生和传递。
为了准确评估不同材料的齿根弯曲应力，工程师可以使用数值模拟和实验测试方法。
数值模拟利用有限元分析等计算方法，可以预测不同加载和材料条件下的齿根弯曲应力分布。
实验测试则通过构建试验样品，应用加载并使用应变测量设备来测量齿根弯曲应力。
通过对模拟结果和实验数据的对比分析，可以验证模拟方法的准确性和可靠性。
最后，根据不同材料齿根弯曲应力的研究结果，工程师可以根据具体应用需求选择最合适的材料，并对齿轮的设计进行优化。
例如，当工作条件要求较高的强度和寿命时，选择钢材料，合理调整齿轮的几何参数，以增加齿根弯曲应力的承载能力。
而当要求轻质、高效或成本低廉时，可以选择铸铁或铝合金材料。
总之，不同材料的齿根弯曲应力研究为机械工程领域的设计优化和材料选择提供了重要的指导。
变速器斜齿圆柱齿轮弯曲强度有限元分析
上 划 分 网格 ． 对 轮齿 啮合 区和 最 不 利 加 载 位 置 的 确定 进 行 了 讨 论 和 求 解 ． 并 比较 了 不 同 的齿 根 圆角 半 径 对 轮 齿 弯 曲
强 度 的影 响 。
主 题词 ： 变 速器 斜齿 圆柱 齿轮
弯 曲强度 有 限元分 析
中图分 类号 ： Ｕ ４ ６ ３ ． ２ １ ２ ￣ ． ４ ２ 文献 标识 码 ： Ａ 文 章编 号 ： １ ０ ０ ０ — ３ ７ ０ ３ （ ２ ０ １ ３ ） １ ２ — ０ ０ ３ ７ — ０ ３
ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｂ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ａ ｒ ｅ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｄ ｏ ｕ ｔ ．Ｉ ｎ ＵＧ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ— ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇ ｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍｅ ｎ ｔ ，ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｉ ｚ ｅ ｄ ｈ ｅ ｌ ｉ ｃ ａ ｌ ｇ ｅ ａ ｒ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｓ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｉ ｍｐ ｏ ｒ ｔ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｏ ＡＮＳ Ｙ Ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ．Ｔ ｈ ｅ ｎ ｍｅ ｓ ｈ ｉ ｎ ｇ ｉ ｓ ｍａ ｄ ｅ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｇ ｅ ｏ ｍｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ， ｔ ｏ ｏ ｔ ｈ
１ ． １
根 据渐 开线 的形成 原 理可 知渐 开线 的极 坐标方
程为： ．
用 有 限元 法对 斜齿 圆柱 齿 轮进行 强度 分 析可 以综合 考 虑齿 轮参 数 ．全 面掌 握 齿轮 的受 力 状况 和应力水
｛ 『—
—
基于有限元法的滚切外齿轮齿根应力分析
维普资讯
第 ｌ期
２０ ０ ８年 １月
文章编号 ：０ １ ３ ９ （ ０ ８０ — ０ ９ ０ １０ ～ ９ ７ ２０ ）１ ０ ２ — ２
机 械 设 计 与 制 造
Ｍａ ｈｉ ｅ ｙ Ｄｅ ｉｎ ｃ ｎ ｒ ｓｇ ＆ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｅ ｎ ｆ ｃｕｒ 一２ 一 ９
参 考文 献
１丁晓红 ， 国杰等 ． 李 薄板结构 的加强筋 自适应成长设计 法． 中国机械工 程 ，０ ５ １ （２ ：０ ７ １６ ． ２ ０ ，６ １ ） １５ — ０ ０
基于有限元法的齿轮齿条动态应力分析
模型， 进行接 触 应力 的静力 学求 解 ， 并介绍 了算法 原 理 。说 明 了新 的接 触 单元 法 的精确 性 、 有
效性和 可 靠性 。 关 键 词 ： 限 元 ；直 齿 轮 齿 条 ；动 态 应 力 有
中图分 类号 ： ＴＨ１ ２ ４ ３． １
文献标 识 码 ： Ａ
文章编 号 ： ６ ４１ ７ （ ０ ８ ０ —２ ５０ １ ７— ３ ４ ２ ０ ）３０ ７ —４
』 ：
基 于 有 限 元 法 的 齿 轮 齿 条 动 态 应 力分 析
薛 军 ， 孙 宝 玉Ｈ ， 辛宏 伟 。 张建 国 ， 吴 澜 涛 ，
（ ． 春 工业 大 学 机 电 工 程 学 院 ， 林 长 春 １长 吉 １０１ ； ３ ０ ２ １０１ ； ３ １ ７ １０ ３） ３０ ３ ２ 中 国 人 民解 放 军装 甲兵 技 术 学 院 机 械 工 程 系 ， 林 长 春 ． 吉
ｅｅ ｅ ｔ ｈ ｏ ｇ Ａ ＱＵＳ， ｗｅ ｃ ｒ ｙ ｏ ｔ ｔ ｅ ｓａ ｉ ｏｕ ｉｎ ｏ ｈ ｏ ｔ ｃ ｔｅ ｓ ｎ ｉｅ ｔ ｅ ｌｍ ｎ ｓｔ ｒ ｕ ｈ ＡＢ ａ ｒ ｕ ｈ ｔ ｔ ｓ ｌ ｔ ｓ ｆ ｒ ｔ ｅ ｃ ｎ ａ ｔ ｓｒ ｓ ，ａ ｄ ｇｖ ｈ ｃ ｏ
ａ ｇ ｒｔ ｌ ｏ ｉｈｍ ｉ ｃｐｌ． Ｉ ｓ ｓ ｏｗｎ ｔ ｔｔ ｈ ｗ ｏｎ ａ ｔ ｕｎ ｔｍ ｅ ｈ ｓａ ｃ ｒ ｔ ａ ｉ ｄ ｅ ｆ ｃ ｉ ． ｐｒｎ ｉ ｅ ｔｉ ｈ ｈａ ｈｅ ｔ ｅ ｎｅ ｃ ｔ ｃ ｉ ｔ ｏｄ ｉ ｃ ｕ ａ ｅ ｖ ｌｄ ａｎ ｆ ｅ ｔｖｅ
有限元分析大作业
《有限元分析及应用》大作业——齿根弯曲应力计算报告班级：无可奉告姓名：无可奉告学号：无可奉告指导老师：无可奉告目录目录 (2)1.概述 (3)1.1工程问题描述 (3)1.2问题分析 (3)2.建模过程 (4)2.1几何建模 (4)2.2CAE网格划分与计算 (5)2.3后处理 (8)3.多方案比较与结果分析 (9)3.1多方案比较 (9)3.2结果分析 (11)1.概述1.1工程问题描述我在本次作业中的选题为齿根弯曲应力的计算与校核。
通过对机械设计的学习，我们可以知道，齿轮的失效形式主要是齿面接触疲劳和齿根弯曲断裂，而闭式传动硬齿面齿轮的失效形式以齿根弯曲断裂，这个时候进行齿根弯曲应力的校核才比较有意义，在设计问题的时候应当选取这种类型的算例。
设计计算的另一个主要思路是将有限元计算的结果与传统机械设计的结算结果进行对比，以从多方面验证计算结果的准确性。
综上，我们最终选取了《机械原理》（第三版）P50例3-1中的问题进行校核计算。
已知起重机械用的一对闭式直齿圆柱齿轮，传动，输入转速n1=730r/min,输入功率P1=35kW，每天工作16小时，使用寿命5年，齿轮为非对称布置，轴的刚性较大，原动机为电动机，工作机载荷为中等冲击。
z1=29，z2=129，m=2.5mm，b1=48mm，b2=42mm，大、小齿轮均为20CrMnTi，渗碳淬火，齿面硬度为58~62HRC，齿轮精度为7级，试验算齿轮强度。
齿面为硬齿面，传动方式为闭式传动。
根据设计手册查出的许用接触应力为1363.6Mpa，计算结果为1260Mpa，强度合格。
根据设计手册查出的许用弯曲应力为613.3MPa，计算结果为619Mpa，强度略显不够。
1.2问题分析大小齿轮啮合，小齿轮受载荷情况较为严峻，故分析对象应当为小齿轮。
可以看出，由于齿轮单侧受载荷，传动过程中每个齿上载荷的变化过程是相同的，故问题可被简化为反对称问题，仅需研究单个齿。
高重合度齿轮应力场有限元分析_尹刚
第33卷第7期重庆大学学报Vo l.33No.72010年7月Jour nal of Cho ng qing U niv ersity Jul.2010文章编号:1000-582X(2010)07-053-04高重合度齿轮应力场有限元分析尹 刚(重庆大学资源及环境科学学院;西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室,重庆400044)摘 要:基于弹塑性接触有限元理论,建立了高重合度齿轮副的三维静态有限元分析模型,运用牛顿-拉普森方法进行求解,得到了高重合度斜齿轮接触应力沿接触线的分布状态。
通过实例分析了啮合数对齿间载荷分配系数的影响,研究了不同摩擦系数时摩擦应力的分布状态。
对有限元分析结果与H er tz 公式计算值对比显示,前者计算的最大接触应力小于H ertz 应力。
运用分块Lanczos 法分析了小齿轮的模态,计算了低阶固有频率和主振型。
关键词:齿轮;接触分析;应力分布;有限元;固有频率 中图分类号:T H 132文献标志码:AFinite element analysis of high contac-t ratio gear stress fieldYIN Gang(Co lleg e of Resources and Environmental Sciences;Key Laboratory for the Ex plo itation of Southw est Resources and the Environmental Disaster Co ntro l Engineering ,M inistry of Education,Chongqing University,Cho ng qing 400044,P.R.China)Abstract:Based o n the elastic co ntact finite element method(FEM ),thr ee -dimensional static contact model of high -contact -ratio g ears is established.T he New ton -Raphso n(NR)m ethod is used to g et the contact stress.Load distribution factor o f g ear teeth and the influence of differ ent friction co efficients w ere achieved by the parison w ith H ertz co ntact stress,the m ax imum co ntact stress is less than H ertz stress.Natural frequencies and m ajo r m odes of the gear are calculated by the Lanc20s metho d,and the results prov ided theoretical basis fo r the desig n and application of helical invo lute g ear.Key words:g ears;contact analy sis;stress distribute;finite element method;natural fr equency 高速齿轮传动具有重合度大、转速高等特点,其强度较普通齿轮受更多因素的影响,传统的半经验半公式的强度计算方法很难真实反映齿面受力的真实情况,随着有限元分析技术(FEA )的发展,不少学者致力于齿轮副力学分析数值化的研究,如文献[1]考察了高速行星传动内齿圈的应力分布,文献[2-4]讨论了齿轮副有限元仿真分析的建模方法,文献[5]分析了宽斜齿轮的应力分布,相关的研究多证明有限元方法的可靠性,直观地给出了齿面应力分布状态。
ansys分析齿轮报告
ANSYS分析齿轮报告引言本报告旨在使用ANSYS软件对齿轮进行分析，并对分析结果进行详细讨论。
齿轮是机械传动中常用的元件，其主要功能是将动力从一个轴传递到另一个轴。
在设计和制造过程中，通过分析齿轮的性能和行为，可以有效提高其可靠性和工作效率。
分析目标本次分析的目标是评估齿轮的强度和变形情况。
通过ANSYS软件的力学分析功能，我们将使用有限元方法来模拟齿轮的工作过程，包括载荷、应力和变形等方面的分析。
模型建立在进行分析前，首先需要建立齿轮的三维模型。
我们选择使用ANSYS提供的建模工具，根据实际参数和几何形状进行建模。
在建模过程中，我们需要确定齿轮的模量、模数、齿数等参数，并考虑到齿轮的几何特征，如齿侧间隙、齿顶高度等。
材料属性齿轮的材料属性对其性能至关重要。
根据实际需求，我们选择了一种合适的材料，并在ANSYS中设置其材料属性。
常见的齿轮材料包括钢、铸铁等，其材料参数如弹性模量、泊松比等需要根据实际情况进行设置。
载荷设定在齿轮的工作过程中，承受的载荷是十分重要的。
在ANSYS中，我们可以通过施加力、扭矩或压力等载荷方式来模拟齿轮的实际工作情况。
合理的载荷设定可以更准确地分析齿轮的受力情况。
分析过程在进行齿轮的分析过程中，主要涉及到强度分析和变形分析两个方面。
强度分析强度分析是齿轮设计中重要的一部分。
在ANSYS中，我们可以使用有限元分析方法来计算齿轮的应力分布和疲劳强度。
通过合理的载荷设定和材料属性设置，可以得到齿轮在工作过程中的最大应力和应力分布情况。
变形分析变形分析是评估齿轮变形情况的重要手段。
在ANSYS中，我们可以通过施加约束和载荷来模拟齿轮的变形行为。
通过分析齿轮的变形情况，可以判断其运动精度和工作可靠性。
分析结果根据ANSYS的分析结果，我们得到了齿轮的应力分布图和变形图。
通过对结果的分析，我们可以得出以下结论：1.齿轮的应力集中区域主要集中在齿根和齿顶部分，这可能导致齿轮在高载荷下的疲劳破坏。
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齿轮弯曲应力的有限元分析
朱彤1
摘要：本文对有限元的概念和分析方法做了介绍，利用有限元分析软件ANSYS 对UG建模的齿轮进行了分析，得出了齿轮在不同载荷下，弯曲应力的变化情况，对齿轮的设计提供了理论依据。
关键词：ANSYS；有限元；齿轮
１．有限元的基本概念
有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。
它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。
用有限元法不仅能提高计算精度，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
有限元求解问题的基本步骤通常为：
第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。
第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。
求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。
第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。
第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。
1作者简介：朱彤（1969－）男，苏州职业大学教师。
研究方向：计算机辅助设计与制造。
为保证问题求解的收敛性，单元形状应以规则为好，内角避免出现钝角，避免出现畸形，因为畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。
第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。
总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。
第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。
联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。
求解结果是单元结点处状态变量的近似值。
对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。
简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。
前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。
2．齿轮建模及数据转换
根据给出的齿轮参数，在UG软件中通过齿轮端面的曲线方程逐步建立起齿轮的模型图，然后再模拟出一对齿轮副的啮合模型。
截取其中的三个轮齿；数据存储转换为IGES格式。
用ANYSY有限元分析软件读取IGES格式的数据，通过数据转换，把模型输入到ANSYS中，对有数据丢失的模型进行修复，在ANSYS 中形成完整的模型，如图1所示。
修复读入的啮合模型步骤如下:先修整模型，保留单根轮廓线，然后由线生成各部分面，面构成体，结果为三个齿条和一个齿底座，使之能在ANSYS中进行有限元分析。
3．有限元分析
对直齿圆柱齿轮定材料参数，加载，网格划分，应力分析。
然后给出计算结果云图，对结果的合理性进行分析。
3．1.齿轮模型的前置处理
（1）材料属性：Structural 〉Linear〉Elastic 〉Isotropic;
EX=30e6,PRXY=0.3
（2）单元类型：Structural solid > Brick 8node 45(solid45)
（3）划分网格：
每个齿高度方向和渐开线部分分10段，齿顶及齿条端面底线分10段，长度方
向上分20段；则齿轮圆孔线应划分成30段，否则将不能进行映射网格的划分。
三个齿条和一个齿底座合并为一个整体。
选择六面体单元（Hex）对整个实体（Volumns）划分网格，结果如图2所示。
图1 图2
3．2 加载
齿轮边界的约束条件是限制圆孔的周向和径向位移，以及两个侧面上的法向位移；加载后的齿轮如图3所示。
我们取了两种载荷情况下齿轮的变形的影响。
力的方向取齿长的垂直方向，图4沿法线加在齿轮分度圆处，为100N；图5沿法线方向加在齿轮齿顶部位处，为100N。
图 3
3．3.求解
Menu > Solution > solve > Current Ls，当显示Solution is done时，计算结束。
3．4 后处理
计算结果应力云图如图4和图5。
图4 图5
4．分析及结论
可以看出，齿条分度圆处受载时，受载荷区域及接近齿根处弯曲应力有极大值；齿条受齿顶载荷时，弯曲应力最大处在接近齿根处，这是由于齿根处弯矩最大。
齿根处的应力值向四周急剧减小，形成应力集中。
齿轮的其余不受载
荷的部分受到的应力很小，几乎可以忽略。
当外载荷的作用点向齿轮的两端移动时，最大弯曲应力的位置也相应地向两端移动，这是由于齿根处的抗弯模量最大，故最大弯曲应力不在齿根部位。
参考文献：
[1] 设计工程系. 有限元结构分析实验指导书[Z]. 南京航空航天大学，2002.8.27
[2] 张波等. ANSYS有限元数值分析原理与工程应用. 清华大学出版社社，2005.9
[3] 朱凯等. UG NX中文版机械设计. 人民邮电出版社，2006.1
FEM Application on Bending Stress Analysis of the
Gears
ZHU Tong
Abstract:The paper introduced the FEM theory, utilizing ANSYS to analyze the gear modeled in UG. Under the different loads,different stress distributions were obtained. The simulation provided theoretical material to the mechanical design of gears.
Key words: ANSYS; FEM; Gear。