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汽車零部件的輕量化己成為了汽車行業(yè)的重要問題。塑料齒輪有傳動噪聲低、吸振、自潤滑等優(yōu)點，而且能跟其他塑料零件很好地配合，相比金屬齒輪，塑料齒輪可注塑成型，能夠節(jié)省較多的加工時間和成本。用塑料齒輪來代替金屬齒輪成為汽車行業(yè)相關(guān)研究部門關(guān)注重點。
塑料齒輪在嚙合過程中，摩擦產(chǎn)生的摩擦熱和因材料瓢彈性產(chǎn)生的滯后熱，影響材料的力學(xué)參數(shù)，產(chǎn)生熱應(yīng)變，從而影響塑料齒輪的嚙合性能；同時溫度升高還會影響潤滑油的性能；材料力學(xué)參數(shù)和潤滑油性能的變化又會對嚙合過程產(chǎn)生影響。這種耦合導(dǎo)致研究塑料齒輪嚙合區(qū)域的熱特性特別復(fù)雜。局部溫升過高時，會發(fā)生齒而燒傷或熔化等與金屬齒輪不同的損傷形式；同時，熱失效還將降低塑料齒輪精度。因此，塑料齒輪齒而溫度分布的研究是塑料齒輪設(shè)計的重要內(nèi)容。本研究中我們應(yīng)用Marc軟件的有限元分析法來對塑料齒輪嚙合區(qū)的溫度場進(jìn)行模擬，研究嚙合齒瞬態(tài)溫度。
使用Marc軟件進(jìn)行熱分析時，一般要進(jìn)行以下步驟：(1)創(chuàng)建或讀入幾何模型；(2)劃分有限元網(wǎng)格；(3)定義材料屬性；(4)設(shè)定邊界條件及施加載荷；(5)定義熱分析類型；(6)提交Marc進(jìn)行有限元分析；(7)結(jié)果后處理。
本研究中使用接觸來模擬摩擦，用Prony級數(shù)來表達(dá)塑料斜齒輪的彈性，使用多場耦合來進(jìn)行熱分析。
本研究的對象為塑料-金屬斜齒輪副，考慮使用潤滑油的工況，有限元分析中若考慮溫度場，結(jié)構(gòu)場和流場的耦合關(guān)系，有限元仿真結(jié)果會更精確一些。
(1)結(jié)構(gòu)場和溫度場的關(guān)系。溫度場通過溫度影響結(jié)構(gòu)場的應(yīng)力，實際上并不僅僅如此，結(jié)構(gòu)場的諸多物理性質(zhì)，如彈性、密度等性質(zhì)都受到溫度的影響。
(2)溫度場和流場之間的關(guān)系。流場通過流體的流動的速度與壓力影響溫度場。流場到溫度場的耦合，發(fā)生在塑料齒輪嚙合的外部，是邊界耦合的問題。這個方向的耦合起著比較重要作用，不可忽略。
(3)流場和結(jié)構(gòu)場的關(guān)系。本研究中由于考慮的是流體為潤滑油，其壓力與速度對結(jié)構(gòu)場的影響比較小，因此我們未考慮流場對結(jié)構(gòu)場的耦合關(guān)系。
由于塑料并不是符合胡克定律的彈性體，而是瓢彈性體，其應(yīng)力響應(yīng)包括彈性部分和瓢性部分，在載荷作用下彈性部分是即時響應(yīng)的，而瓢性部分需要經(jīng)過一段時間才能表現(xiàn)出來。
本研究中使用的塑料齒輪與金屬齒輪的嚙合模型由Solidworks建立，讀取到Marc中，然后進(jìn)行幾何修改、網(wǎng)格劃分、設(shè)置邊界條件等后續(xù)處理的有限元模型。考慮塑料齒輪的瓢彈性會有材料的非線性問題，分析中采用了MSC. Marc中的非線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析模塊。齒輪的基本參數(shù)與結(jié)構(gòu)尺寸如表所示。
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