GCL13型鼓形齿联轴器力学性能分析.doc

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1、GCL13型鼓形齿联轴器力学性能分析夏清华①，葛燕飞(马鞍山泰尔重工股份有限公司，安徽马鞍山243002)摘要：利用有限元分析软件ANSYS对GCL13型鼓形齿联轴器进行力学性能分析，分析结果真实全面地反映了轴线对中及轴线偏转1度两种工况下该型号鼓形齿联轴器的应力分布状态，并将应力结果与赫兹接触理论计算值进行对比，从对比结果可知用有限元法可以更好地修正传统接触计算的偏差。关键词：鼓形；齿联轴器；力学性能；赫兹接触理论；修正1前言鼓形齿联轴器作为一种可移式刚性联轴器，被广泛应用于冶金、起重运输、矿山、石油等重载领域。它的主要结构特

2、点为：结构紧凑、承载能力大、使用范围广、工作可靠、使用寿命长、啮合接触面积大、接触应力低、具有综合补偿两轴相对位移的能力并且维护和拆装都很方便[1]。由于鼓形齿联轴器一般外形尺寸较大，加之重载作用下齿面的接触状态较为复杂，属于小变形几何非线性问题，通过传统的赫兹理论计算很难准确得到齿面的应力分布情况；此外，传统的鼓形齿联轴器的研究方法一般是作无轴线偏移简化，再按赫兹接触理论公式计算出齿面的接触应力，用偏载系数予以修正[2]，这样得到的结果很难准确反映齿面应力的分布情况。本文利用ANSYS软件，对GCL13型鼓形齿联轴器在轴线对中

3、和偏转两种工况下的力学性能进行了计算和分析，为鼓形齿联轴器的设计和优化提供参考依据。2分析计算过程2．1有限元模型的建立根据表1所给参数，利用三维CAD软件Solidworks，严格按照图纸尺寸和行业标准建立型号为GCL13型鼓形齿式联轴器的三维实体模型。对于鼓形齿的建模，在Solidworks里，首先建立拉伸鼓形齿的齿轮毛坯，然后利用变截面切除扫描挖切出齿槽，在不影响鼓形齿联轴器结构、刚度真实性的前提下，对某些部位做适当的简化，所建立的鼓形齿联轴器三维实体模型符合真实的形状、尺寸及布置，模型如图1所示。该型号联轴器最大偏转1度

4、，因此对于轴线偏转情况，只需在装配时保证内外齿的轴线偏转1度即可。将建立好的实体模型导入ANSYS环境中，选用solid185单元进行网格划分。为使计算结果更加可靠并考虑到计算规模对计算机的要求，对网格做如下处理：远离齿面的网格进行人工干预，采用手动网格划分技术进行网格细化程序处理，齿面网格采用1mm的六面体网格，保证接触区域的网格密度能够满足计算精度的要求。有限元模型如图2所示，定义弹性模量为2．1e11Pa，泊松比μ=0．3。2．2有限元模型的加载和约束设置对于轴线对中工况，将内齿圈外圆柱面施加全约束，在柱坐标系下，对鼓形齿

5、的内表面施加径向约束，并对鼓形齿的一个端面施加轴向约束，保证联轴器外圈仅有一个转动自由度。对鼓形齿内孔表面上的节点施加63kN·m转矩进行计算[3]。鼓形齿联轴器三维有限元分析模型共有80处设置了接触对，采用柔体－柔体的面－面接触类型，其中目标面选用TARGGE170单元，接触面选用CONTA173单元。轴线偏转工况下的约束和加载与轴线对中工况下类似，不再赘述。3鼓形齿联轴器有限元计算结果分析3．1轴线对中状态鼓形齿联轴器应力分布在轴线对中的工况下，鼓形齿只有齿中间鼓肚部分接触，由于内外齿的基圆相等，因此内外齿的渐开线曲率半径完

6、全相等，因此在齿对称截面上有效齿高范围内的内外齿是均匀线接触的。每个齿上的接触应力大致相等，且接触应力仅出现在接触线附近较小的范围内，沿齿高方向呈矩形分布；但由于齿高方向接触线上每一点载荷大小不等，所以各点接触应力值不等，最大接触应力为326．4MPa，如图3所示。轴线对中状态下，轮齿处于三向受力状态，且在齿顶部与齿根部承受教大的拉、压应力，故齿根部与齿顶部的Misses应力和接触应力较接触线上其余部位的应力大，外齿的最大Misses应力为206．7MPa，内齿最大Misses应力为216．8MPa，如图4和图5所示。通过内外齿

7、的MISSES应力分析可知，该型号联轴器基本符合等强度的设计原则，且对比该种联轴器材料的屈服强度极限可知，该种工况下轮齿的MISSES应力远小于屈服强度极限。3．2两轴偏转1度状态下鼓形齿联轴器应力分布两轴偏转1度状态下接触应力的分布与对中状态下明显不同，轮齿处于三向受力状态，接触应力同样只作用在啮合区域较小的范围内，但接触应力呈椭圆分布，接触点处呈现较大的压应力。最大接触应765．5MPa；整体接触区域在圆周上的分布为正弦(余弦)分布，且相位上差π，如图6所示。非对中状态下，内外齿各轮齿之间以及每个轮齿沿齿宽都存在载荷不均，随

8、着偏转角的加大，轮齿沿齿宽载荷不均加剧。3．3有限元计算结果与传统计算方法的对比鼓形齿联轴器在两种不同工况下有限元计算结果见表2。传统的计算鼓形齿联轴器接触应力一般采用赫兹接触理论[4][5]，其计算公式如下：式中h*e—接触时的有效齿高，取h*e=0．65he