直齿圆柱齿轮接触接触分析
第11章直齿圆柱齿轮精度与检测
非工作齿面间应具有合理的齿侧间隙 以防止齿轮在传动过程中卡死或烧伤。
不同用途、不同工作条件下的齿轮，对上述 4项要求侧重点不同，见表11-1示。
第2节 齿轮误差分析
第11章 直齿圆柱齿轮精度与检测
学习 内容
● 对齿轮传动的基本要求 ● 齿轮误差分析 ● 齿轮精度 ● 齿轮精度检测
齿轮传动广泛应用于机器、仪器等制造业中，
机械产品的工作性能、承载能力及使用寿命等都与 齿轮本身的制造精度密切相关。
因此探讨齿轮误差的产生因素，并制定相应精
度标准加以控制，对提高机械产品质量、延长寿命 具有重要意义。
见表11-2示
按3个方面划分的齿轮精度评定指标 见表11-3示
可依此对应学习
（
图10-5 内、外螺纹的基本偏差
例
2．齿轮精度等级 GB/T 10095.2—2008
（1）轮齿同侧齿面的精度等级 规定：13个精度等级：
适用范围：分度圆直径5～10000mm、 法向模数0.5～70mm、 齿宽4～1000mm的渐开线圆柱齿轮。
见本章后P225★内容
5．齿轮检验项目的确定
齿轮检验时，没有必要按14个偏差项目全部进行检测。
标准规定不是必检的项目有：
齿廓和螺旋线的形状偏差和倾斜偏差ffα、fHα、ffβ、 fHβ （为了进行工艺分析或其他某些目的时才用）
切向综合偏差Fi、 fi （可以用来代替齿距偏差）； 齿距累积偏差FPK、FP（一般高速齿轮使用）；
误差等，都会反映到被加工轮齿上，产生齿形和基节误差。
图11-3 影响运动平稳性的误差
齿面接触强度计算
直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算
弹性力学的Hertz公式：
分析：1. 啮合点不同，曲率半径不同；
2.一般情况下，ε＞1，1对齿，2对齿啮合时，
σH不同（Fn不同）。
应该按齿廓的哪一点来计算σH？
研究表明：
点蚀最容易发生在齿根靠近节圆处（单对齿啮合区的边界）。
故：1. 综合曲率半径按节圆处两齿廓的曲率半径计算
其中，u是大轮与小轮的齿数比
2. Fn按单对齿啮合计算
针对钢制齿轮，引入钢的泊松比μ1= μ2 =0.3，钢的弹性模量
E=2.06×105 MPa，载荷系数K，中心距a，得齿面接触强度的验算公式：令齿宽系数ψa ＝b／d1，代入上式得中心距：
分析：当一对齿轮的材料、传动比、齿宽系数一定时，接触应力σH 仅取决于分度圆直径d或中心矩a，与模数m无关。
即：两对分度圆直径对应相等的齿轮传动，具有相同的接触强度，与各自模数无关。
即：增大模数m（但d不改变），不能提高齿面接触强度。
关于齿宽系数ψa
理论上讲，ψa越大，a越小，结构越紧凑。
但实际上，ψa↑，可能降低结构的刚性，载荷分布越不均匀，轮齿更易折断。
许用接触应力按下式计算：
式中: σHlim为试验齿轮的接触疲劳强度
极限，按图11－7查得；
S H为齿面接触疲劳安全系数，查表11－4得到。
图11－7。
直齿圆柱齿轮参数测定实验报告数据
直齿圆柱齿轮参数测定实验报告数据渐开线直齿圆柱齿轮参数的测定与分析渐开线直齿圆柱齿轮参数的测定与分析一、实验目的1．掌握测量渐开线直齿圆柱变位齿轮参数的方法。
2．通过测量和计算，进一步掌握有关齿轮各几何参数之间的相互关系和渐开线性质。
二、实验内容对渐开线直齿园柱齿轮进行测量，确定其基本参数(模数m和压力角α)并判别它是否为标准齿轮，对非标准齿轮，求出其变位系统X。
三、实验设备和工具1．待测齿轮分别为标准齿轮、正变位齿轮、负变位齿轮，齿数各为奇数、偶数。
2．游标卡尺，公法线千分尺。
3．渐开线函数表(自备)。
4．计算器(自备)。
四、实验原理及步骤渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数有：齿数Z、模数m、分度圆压力角?齿顶高系数h*a、顶隙系数C*、中心距α和变位系数x等。
本实验是用游标卡尺和公法千分尺测量，并通过计算来确定齿轮的基本参数。
1．确定齿数Z齿数Z从被测齿轮上直接数出。
．确定模数m和分度圆压力角??在图4-1中，由渐开线性质可知，齿廓间的公法线长度AB与所对应的基圆弧长Α0Β0相等。
根据这一性质，用公法线千分尺跨过n个齿，测得齿廓间公法线长度为Wn′，然后再跨过n+1个齿测得其长度为Wn??1。
Wn??(n?1)Pb?Sb,Pb?Wn??1?Wn?Wn??1?nPb?Sb式中，Pb为基圆齿距，Pb??mcos? (mm)，与齿轮变位与否无关。
Sb为实测基圆齿厚，与变位量有关。
由此可见，测定公法线长度Wn?和Wn??1后就可求出基圆齿距Pb，实测基圆齿厚Sb，进而可确定出齿轮的压力角?、模数m和变位系数x。
因此，齿轮基本参数测定中的关键环节是准确测定公法线长度。
图4－1 公法线长度测量（1）测定公法线长度W?n和Wn??1根据被齿轮的齿数Z，按下式计算跨齿数：a?n?Z?0.5180?式中：??—压力角；z —被测齿轮的齿数我国采用模数制齿轮，其分度圆标准压力角是20°和15°。
若压力角为20°可直接参照下表确定跨齿数n。
标准渐开线齿轮直齿圆柱齿轮啮合传动
4.3 标准渐开线齿轮直齿圆柱齿轮啮合传动一、啮合过程和正确啮合条件图1 图2 图3图中B2点是从动轮2齿顶圆与啮合线N1N2的交点，是一对轮齿啮合的起始点。
随着啮合传动的进行，两齿廓的啮合点沿着啮合线移动，直到主动轮1的齿顶圆与啮合线的交点B1时，两轮齿即将脱离接触，B1点为轮齿啮合的终止点。
从一对轮齿的啮合过程来看，啮合点实际走过的轨迹只是啮合线上的一段，即，称为实际啮合线。
当两轮齿顶圆加大时，点B2和B1将分别趋近于点N1和N2，实际啮合线将加长，但因基圆内无渐开线，所以实际啮合线不会超过N1N2，即N1N2是理论啮合线，称为理论啮合线。
从动画中可以看出，在两轮轮齿的啮合过程中，并非全部渐开线齿廓都参加工作，而是图中阴影线所示的部分。
实际参与啮合的这段齿廓称为齿廓工作段。
一对齿轮啮合时齿廓工作段的求法：三个图中的齿轮都是渐开线齿轮，但图1和图2中的主动轮只能带动从动轮转过一个小角度就卡死不能动了，而图3中的主动轮可以带动从动轮整周转动，看来并不是任意两个渐开线齿轮都能正确地进行啮合，而是必须满足一定的条件，即正确啮合条件。
那么，这个条件是什么？从图3中可以看出：两个渐开线齿轮在啮合过程中，参加啮合的轮齿的工作一侧齿廓的啮合点都在啮合线N1N2上。
而在图1和图2中，工作一侧齿廓的啮合点H不在啮合线N1N2上，这就是两轮卡死的原因。
从图3中可以看出是齿轮1的法向齿矩，是齿轮2的法向齿矩，亦即:这个式子就是一对相啮合齿轮的轮齿分布要满足的几何条件,称为正确啮合条件。
由渐开线性质可知，法向齿距与基圆齿距相等，故上式也可写成将和代入式中得：由于模数m和压力角均已标准化，不能任意选取，所以要满足上式必须使：结论：一对渐开线齿轮，在模数和压力角取标准值的情况下，只要它们分度圆上的模数和压力角分别相等，就能正确啮合。
二、齿轮传动的正确安装条件1、齿侧间隙为了避免齿轮在正转和反转两个方向的传动中齿轮发生撞击,要求相啮合的轮齿的齿侧没有间隙。
直齿圆锥齿轮的精确建模及其接触应力的有限元分析
度 影 响 的 结 论 ， 而 分 析 了节 点 处 的 接 触 应 力 ， 与 赫 兹 接 触 应 力 理 论 值 进 行 比 较 ， 果 非 常 理 想 ， 而 实 现 了 Ｃ Ｄ 与 进 并 结 从 Ａ
Ｃ Ｅ的一体化 。 Ａ 关 键 词 ： Ｒ Ｅ； 齿锥 齿轮 ； 毂抗 扭 刚度 ； 触 应 力 ； Ｓ Ｍａｃ Ｐ ０／ 直 轮 接 Ｍ Ｃ． ｒ
维普资讯
第２ ５卷 第 １ 期 ２０ ０ ７年 ２月
轻 Ｉ概 械
Ｌｉ ｈｔＩ ｄｕ ｔｙ Ｍ ａ ｈ ｎｅ ｙ ｇ ｎ ｓｒ ｃｉ ｒ
Ｖｏ ． ５． ． １ ２ ＮＯ １ Ｆｅ ｂ．． ０ ７ ２ ０
［ 研究 ・ 计］ 设
齿 锥 齿轮 精确 建模 及 其接触 有 限 纷 析
２相 交 轴 之 间 的传 动 ， 齿 的模 型 锥 齿 啮 合 区 齿 体 的 刚 度 有 较 大 的 突
建 立一 般倾 向于用 背锥渐 开线 代替 球面渐 开线 。 在现实 加工 中 ， 由于球 面无 法 展成 平 面 ， 使 圆锥 齿轮 的 致 设 计计 算 产 生 了很 大 的 困难 ， 在 故
图 １ 分度 圆锥 、 齿顶 圆锥 和齿根 圆锥
球 面渐开线齿廓表 面的形 状 ， 然后在
Ｐ Ｏ／ 中按方程画出球面渐开线。 Ｒ Ｅ
ｚ＝ ｓｎ ｎ （ｉ ｉ ＋ ｃ ｓ ｓｃｓ ） ］ ｏ ｍｏ ￣ｏ０
：ｃｇｓ ｌ ｃ０ ｏ ｏ ｓ 成 扇 形 ， ＵＧ 可 以先 画好 平 面 展 线精 确地求 出球 面渐开线 齿廓 表面 用 然 Ｒ Ｅ中用 可变界 式 中 ： 一 ｚ 开的渐 开线 ， 然后利 用 缠绕 工 具 ， 将 的形 状 ， 后在Ｐ Ｏ／ ｚ ＋ Ｙ ＋ ；
直齿轮adams接触（碰撞）仿真分析
直齿轮adams接触（碰撞）仿真分析本⼈亲做斜齿轮参数为：算得其中⼼距：153.37 传动⽐：i=3根据三相啮合⼒的计算公式算得斜齿轮受⼒为：15650.365823.523326.59t r a F N F N F N=== 齿轮参数化建模：齿轮轮齿的⽣成主要有两种：⼀，直接⽣成轮齿；⼆，切除齿槽形成轮齿。
斜齿轮的⽣成过程中，重点是渐开线和螺旋线的⽣成环节。
⾸先要确定渐开线⽅程，确保每个尺⼨都是通过参数约束的。
其次要确定螺旋线⽅程。
最后通过扫描混合（或者可变截⾯扫描）、镜像、阵列等命令创建出渐开线斜圆柱齿轮。
创建斜齿轮的参数关系：Alpha_t=atan(tan(Alpha_n)/cos(Beta)) Ha=(Ha_n+X_N)*M_NHf=(Ha_n+C_N-X_N)*M_N D=Z*M_N/cos(Beta) Db=D*cos(Alpha_t) Da=D+2*Ha Df=D-2*Hf采⽤的渐开线⽅程式：Rb=Db/2 theta=t*45x= Rb*cos(theta)+Rb*sin(theta)*theta*pi/180 y=0z= Rb*sin(theta)-Rb*cos(theta)*theta*pi/180采⽤的螺旋线⽅程式：x=D*cos(t*360*B*tan(beta)/(PI*D))/2 y=B*tz=Ds*D*sin(t*360*B*tan(beta)/(PI*D))/2上述关系式中D 是分度圆直径，DB 是基圆直径，Da 是顶圆直径，Df 是齿根圆直径，DS 表⽰斜齿轮的旋向（左旋为1，右旋为-1）。
其中螺旋线⽅程中B*tan(beta)/(PI*D)表⽰螺旋线转过的圈数。
三维模型建⽴⽤上述参数利⽤proe 建⽴齿轮三维模型并装配好，如图1,、图2所⽰图1图2将三维模型导⼊adams定义导⼊模型后，逐步进⾏：材料属性定义，添加约束，添加驱动，添加负载，添加接触⼒，然后得到仿真处理前期⼯作，如图3，图4所⽰图3图4、仿真后处理仿真后处理得到斜齿轮三个⽅向上波动图和均值。
一对外啮合的直齿圆柱标准齿轮,小轮的齿根厚度和大轮的齿根厚度关系;
外啮合的直齿圆柱标准齿轮,小轮的齿根厚度和大轮的齿根厚度关系1. 引言1.1 概述直齿圆柱标准齿轮是一种常见的机械传动元件，广泛应用于各个领域。
在齿轮啮合过程中，齿根厚度是当今研究的一个重要方面，因为它对齿轮的强度和工作性能有着重要的影响。
而在外啮合直齿圆柱标准齿轮中，小轮的齿根厚度与大轮的齿根厚度之间存在着一定的关系。
1.2 文章结构本文将首先介绍外啮合的直齿圆柱标准齿轮的基本概念和特性，包括其定义、特点以及应用领域。
接下来，将详细讨论小轮的齿根厚度与大轮的齿根厚度之间的关系，并分析其中的影响因素。
随后，将介绍相关计算模型及仿真验证方法，以进一步验证前述理论分析结果。
最后，通过总结研究结果提出结论，并展望未来该领域研究可能发展的方向。
1.3 目的本文旨在深入研究外啮合的直齿圆柱标准齿轮中小轮的齿根厚度与大轮的齿根厚度之间的关系，探讨影响因素，并提出相关计算模型和仿真验证方法。
通过该研究，可以为设计者提供有关在不同应用场景中优化选择齿根厚度的参考指导，以提高齿轮传动系统的可靠性和工作效率。
此外，本文也希望培养读者对于直齿圆柱标准齿轮特性及其在机械传动中的应用领域有更全面的了解。
2. 外啮合的直齿圆柱标准齿轮介绍:2.1 定义与特性:外啮合的直齿圆柱标准齿轮是一种常见的机械传动元件, 具有两个相互啮合的齿轮: 大轮和小轮。
它们由金属材料加工而成，具有相对简单的结构。
其中大轮拥有较大的直径，而小轮则比大轮尺寸更小。
这种齿轮常用于各种工业领域，如汽车、机床等，用于实现速度转换、扭矩传递和运动分配。
2.2 齿轮应用领域:外啮合的直齿圆柱标准齿轮广泛应用于许多行业。
在汽车行业中，它们被用作变速箱和传动系统中关键组件，实现不同挡位之间的变速。
此外，在航空航天、能源发电以及其他工程应用中也可以找到这种类型的齿轮。
2.3 标准规范概述:为了确保外啮合的直齿圆柱标准齿轮在各种应用中具有良好的兼容性和互换性，相关机构制定了一系列标准规范。
直齿圆柱齿轮传动的受力分析和载荷计算
直齿圆柱齿轮传动的受力分析和载荷计算直齿圆柱齿轮传动的受力分析:图 9-８为一对直齿圆柱齿轮，若略去齿面间的摩擦力，轮齿节点处的法向力F n 可分解为两个互相垂直的分力：切于分度圆上的圆周力F t 和沿半径方向的径向力F r 。
（1）各力的大小图 9 - ８直齿圆柱齿轮受力分析圆周力（９-１）径向力（９-２）法向力（９-３）其中转矩（９-４）式中：T1 ，T2 是主、从动齿轮传递的名义转矩，N.mm ；d1 ，d2 是主、从动齿轮分度圆直径， mm ；为分度圆压力角；P是额定功率， kW ；n1 ，n2 是主动齿轮、从动轮的转速， r/min 。
作用在主动轮和从动轮上的各对应力大小相等，方向相反。
即：，，（2）各力的方向主动轮圆周力的方向与转动方向相反；从动轮圆周力的方向与转动方向相同；径向力F r 分别指向各自轮心 ( 外啮合齿轮传动 ) 。
9.4.2 计算载荷前面齿轮力分析中的F n 、F t 和F r 及F a 均是作用在轮齿上的名义载荷。
原动机和工作机性能的不同有可能产生振动和冲击；轮齿在啮合过程中会产生动载荷；制造安装误差或受载后轮齿的弹性变形以及轴、轴承、箱体的变形，会使载荷沿接触线分布不均，而同时啮合的各轮齿间载荷分配不均等，因此接触线单位长度的载荷会比由名义载荷计算的大。
所以须将名义载荷修正为计算载荷。
进行齿轮的强度计算时，按计算载荷进行计算。
（９－４）计算载荷(９ - ５)载荷系数(９- ６)式中：K是载荷系数；K A 是使用系数；K v 是动载系数；是齿向载荷分布系数；是齿间载荷分配系数。
1 ．使用系数K A使用系数K A 是考虑由于齿轮外部因素引起附加动载荷影响的系数。
其取决于原动机和工作机的工作特性、轴和联轴器系统的质量和刚度以及运行状态。
其值可按表 9 - ３选取。
表 9-３使用系数K A工作机的工作特性工作机器原动机的工作特性及其示例电动机、均匀运转的蒸气机、燃气轮机蒸气机、燃气轮机液压装置电动机（经多缸内燃机单缸内燃机（小的，启动转矩大）常启动启动转矩大）均匀平稳发电机、均匀传送的带式或板式运输机、螺旋输送机、轻型升降机、机床进给机构、通风机、轻型离心机、均匀密度材料搅拌机等1.00 1.101.251.50轻微冲击不均匀传送的带式输送机、机床的主传动机构、重型升降机、工业与矿用风机、重型离心机、变密度材料搅拌机、给水泵、转炉、轧机、1.25 1.351.51.75中等冲击橡木工机械、胶积压机、橡胶和塑料作间断工作的搅拌机、轻型球磨机、木工机械、钢坯初轧机、提升装置、单缸活塞泵等1.50 1.601.752.00严重挖掘机、重型球磨机、橡 1.75 1.85 2.0 2.25冲击胶揉合机、落沙机、破碎机、重型给水泵、旋转式钻探装置、压砖机、带材冷轧机、压坯机等0或更大注： 1. 对于增速传动，根据经验建议取表中值的 1.1 倍。
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接触刚度：所有的 ansys 接触单元都采用接触刚度来保证接触界面的协调性。
在面——面接触单元中，接触刚度通常指定为基体单元刚度的一个比例因子 （FNK）。通常：
FNK=1 大面积接触； FNK=0.01——0.1 较为柔软的部分（弯曲占主导）； 过大的接触刚度可能会引起总刚矩阵的病态，而造成收敛困难。一般来讲， 应该选取足够大的接触刚度以保证接触渗透小到可以接受，但同时又应该让接触 刚度足够小以便不会引起总刚矩阵的病态问题而保证收敛性。FNK 是影响计算 精度和收敛性的重要参数，遇到问题 FNK 的值要向小的方向改。 容许的最大渗透——FTOLN FTLON 的缺省值为 0.1，可以改变这个值，但如果此值太小可能会造成太 多的迭代次数或者不收敛。（在 ANSYS 中，常用的 FTLON 值为 0.05 和 0.1， 二者对结果的影响不大，这里采用系统默认值 0.1。） 摩擦——MU 在整体分析和局部分析中都选用 Coulomb 摩擦模型，不区分静、动摩擦系 数，摩擦系数均取为 0.3。 初始间隙因子——ICONT 0.1 表明初始间隙因子是 0.1 的下面覆盖层单元的厚度。然而，-0.1 表明真 实缝隙是 0.1。 备注：以上 4 个是常数实当分析开始或者中间计算出问题之后首先考虑的因 素，ICONT 最优先，因为在只靠接触对约束的构件之间必须保证初始接触对的 两实体表面是接触的，ICONT 就是保证初始接触对的表面之间接触。再次考虑 FNK，不过在 0.01——0.08 之间影响不大，齿轮对的分析也尽量不要超出这个范 围，以免失真。FTLON 一般采用默认值。MU 视情况而定。
接触对的建立原则： 如凸面预期与一个平面或凹面接触，则平面/凹面应当指定为目标面； 如一个面有较密的网格，而相比较之下，另一个面网格较粗，则较密网格的 面应当是接触面，而较粗网格的面则为目标面； 如一个面比另一个面刚，则较柔的面应当指定为接触面，而较刚的面则为目 标面； 如果高阶单元位于一个外表面，而低阶单元位于另一个面，则前者应指定为 接触面，后者则为目标面； 如果一个面明显地比另一个面大(如一个面包围其他面)，则较大的面应指定 为目标面。
大多数问题需要计算摩擦，而摩擦是与路径有关的现象，摩擦响应还可能是 杂乱的，使求解收敛困难。
（4）分类
刚——柔 一个表面是刚性的，除刚体的运动外屋应力、应变和变形。另一个表面是软 材料构成的是可变形的。 柔——柔 两个接触体都是可以变形的。
二 ansys 接触技术
（1）接触单元
覆盖在分析模型接触面上的一层单元
直齿圆柱齿轮接触应力分析过程：
1． 建立模型并划分网格 2． 识别接触对 3． 定义刚性目标面 4． 定义柔性接触面 5． 设置单元关键字和实常数 6． 定义控制刚性目标面的运动 7． 给定必须的边界条件 8． 定义求解选项和载荷步 9． 求解接触问题 10．查看结果 接触对的建立利用了接触向导，方便快捷，并且在分析中用到的是常数都可 以由它来设定。 由于直齿圆柱齿轮在轴向应力一致因此可以用 2——D（要设定齿宽常数） 来代替 3——D。
图二：2 精度下的 von mises 应力图 由此可见网格精度对结果影响很大
图三 7 精度下 3——D 应力图解 由此可见网格精度对分析的影响以及直齿圆柱齿轮可以用 2——D 分析来代 替 3——D 模型。
施加载荷可以用切向力代替扭矩，施加在轴孔内表面的节点上，但要转换节 点的坐标系为柱坐标，以符合载荷的方向要求。切向力的计算公式：
为了使接触问题更好的收敛和保证结果的准确还要施加载荷步。一般要在
25 步左右。 附：分析实例（参考用）
模数（m）
齿数（z）
齿宽（b）
2.5
20
30
2.5
30
30
图一：6 精度网格下的 von mises 应力图
（2）模拟
跟踪接触位置； 保证接触协调性（防止接触表面相互穿透）； 在接触表面之间传递接触力（正压力和摩擦力）。
（3）单元类型
面——面 用于任意形状的接触表面； 不必事先知道准确的接触位置； 两个面之间可以具有不同的网格； 支持大的相对滑动； 支持大应变和大转动。 点——面 不需要预先知道确切的接触位置； 接触面之间也不需要保持一致的网格； 允许有大的变形和大的相对滑动； 点——点 需要预先知道接触位置； 只能适用于接触面之间有较小相对滑动的情况；
三 直齿圆柱齿轮接触应力分析
面——面接触分析
在涉及到两个边界的接触问题中，很自然把一个边界作为“目标”面，而把 另一个作为“接触”面。对刚体─柔体的接触，“目“接触对” 。使用 Targe169 和 Conta171 或 Conta172 来定义 2-D 接触对。使用 Targe170 和 Conta173 或 Conta174 来定义 3-D 接触对。程序通过相同的实常数号来识别“接触对”。
直齿圆柱齿轮接触应力分析
一 接触分析的介绍
（1）定义：
当两个分离的表面互相碰触并互切时就称它们处于接触状态。
（2）特点
不相互穿透； 能够传递法向压力和切向摩擦力； 通常不传递法相拉力； 相互之间可以自由的分开。
（3）难点
求解之前不知道接触区域，表面之间是接触还是分开的是未知的，表面之间 突然接触或是不接触会导致系统刚度的突变；