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齒輪是現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)中重要的傳動(dòng)件。在進(jìn)行齒輪的分析設(shè)計(jì)時(shí)，不但要保證齒輪齒形準(zhǔn)確，而且還要保證齒輪有足夠的強(qiáng)度，以至于在整個(gè)使用壽命中能夠正常的工作，不發(fā)生失效，目前人們廣泛采用有限元分析來(lái)對(duì)齒輪進(jìn)行強(qiáng)度校核。齒輪建模的不準(zhǔn)確和有限元分析的部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，直接影響該齒輪有限元分析的準(zhǔn)確性。利用Microsoft Excel采集齒廓曲線的數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確的完成齒輪的三維實(shí)體造型。
同時(shí)利用SolidWorks的Simulation插件對(duì)齒輪進(jìn)行有限元分析，將齒輪的建模和分析無(wú)縫集成一體進(jìn)行研究，避免部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失和不準(zhǔn)確的現(xiàn)象，對(duì)以后的研究提供理論依據(jù)。
當(dāng)用雙圓角齒條型刀具加工時(shí)，漸開(kāi)線齒輪的齒廓曲線由漸開(kāi)線、齒根過(guò)渡曲線和齒根圓弧三段組成。齒廓漸開(kāi)線是齒廓的嚙合接觸線所在部分，精確的建立漸開(kāi)線才能保證齒輪的準(zhǔn)確嚙合，過(guò)渡曲線盡管不在齒輪的嚙合線部分，但如果過(guò)渡曲線與漸開(kāi)線銜接不連續(xù)，會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力集巾，特別是在進(jìn)行有限元分析時(shí)，輪齒曲線的準(zhǔn)確度直接影響有限元分析結(jié)果的正確性和可信度。
齒輪的三維模型建立是在生成齒廓曲線的基礎(chǔ)上通過(guò)拉伸、陣列等一系列命令完成齒輪的精確模型，驗(yàn)證了齒輪模型的齒廓曲線是由漸開(kāi)線、齒根過(guò)渡曲線和齒根圓弧三段組成。
為了更清楚地了解所設(shè)計(jì)齒形的準(zhǔn)確性和力學(xué)性能，有必要對(duì)所設(shè)計(jì)的齒輪進(jìn)行有限元分析。Simulation作為SolidWorks軟件中的插件，具有計(jì)算速度快、解題時(shí)占用磁盤(pán)空間少、簡(jiǎn)單易學(xué)等優(yōu)點(diǎn)，在SolidWorks軟件建模無(wú)需格式的轉(zhuǎn)換就可以進(jìn)行有限元分析，故選用Simulation進(jìn)行分析。利用此插件對(duì)齒輪的應(yīng)力、位移進(jìn)行有限元分析，確定齒輪的最大應(yīng)力和應(yīng)變值與位置，分析所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料性能是否滿足使用條件，實(shí)現(xiàn)齒輪設(shè)計(jì)的優(yōu)化，避免浪費(fèi)。
零件的力學(xué)性能取決于其構(gòu)成的材料，可以從Simulation自帶的材料庫(kù)中挑選材料，應(yīng)用于實(shí)體。此處選擇齒輪的材料為普通碳鋼。
對(duì)齒輪進(jìn)行靜態(tài)有限元分析，定義齒輪的軸孔為約束面，對(duì)其進(jìn)行X,Y,Z三個(gè)方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行約束。齒面為載荷面，施加的載荷類型為壓力，壓力的大小為1000N/m2。
有限元解的精度取決于劃分網(wǎng)格的質(zhì)量。一般而言，網(wǎng)格越精細(xì)，精度越高。軟件中的“網(wǎng)格控制”選項(xiàng)組選擇“自動(dòng)過(guò)渡”，有限元分析程序會(huì)對(duì)模型的細(xì)小特征、孔圓角以及其他細(xì)節(jié)自動(dòng)應(yīng)用網(wǎng)格控制。通過(guò)彩云圖來(lái)顯示應(yīng)力、應(yīng)變和位移圖的分布，圖形的顏色變化反映了齒輪的應(yīng)力、應(yīng)變、位移的分布情況，以不同的顏色來(lái)表示不同范圍的應(yīng)力值。右方的顏色滑桿所對(duì)應(yīng)的數(shù)值以及顏色分布與左圖中的顏色所對(duì)應(yīng)。這些彩云圖形象逼真地體現(xiàn)了齒輪內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律廠應(yīng)力、應(yīng)變以及位移。
在載荷的作用下，輪齒各點(diǎn)應(yīng)力的變化規(guī)律，最大應(yīng)力集中在輪齒的齒根處，約為3926.31 N/m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于齒輪材料的屈服強(qiáng)度極限，故齒輪滿足強(qiáng)度分析的要求，因此在1000N/m2的壓力卜該材料的齒輪是安全的。齒輪在傳遞載荷時(shí)，齒根處所受的彎矩最大，彎曲應(yīng)力最大，最為薄弱。這個(gè)情況與實(shí)際基本相符。齒輪的最大應(yīng)力、應(yīng)變、位移值及位置。
齒輪建模與分析有助于更好了解齒輪設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性及其力學(xué)性能。根據(jù)齒輪的參數(shù)創(chuàng)建高精度的齒輪模型，利用Simulation插件對(duì)齒輪進(jìn)行分析，可以邊設(shè)計(jì)邊分析。該方法集齒輪建模和分析于一體，可確保齒輪三維建模的準(zhǔn)確性，為以后的研究提供理論參考。
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