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基于不同接触中心的斜齿轮应力有限元分析
摘要
斜齿轮作为机械行业重要的转动配件，在使用过程中往往需要承受高强度的应力作用，因此对于斜齿轮应力的定量分析是至关重要的。本文主要基于不同接触中心的斜齿轮应力有限元分析进行研究，通过建立斜齿轮的数学模型，并利用有限元软件对其进行数值模拟，获得了斜齿轮在不同接触中心下的应力分布情况。结果显示，在不同接触中心下，斜齿轮的应力分布具有显著的差异，为实际生产中的斜齿轮设计提供了重要的参考依据。
关键词：斜齿轮；有限元分析；接触中心；应力分布；数值模拟
Abstract
Asanimportantrotatingcomponentinthemechanicalindustry,spiralbevelgearoftenneedstowithstandhigh-strengthstressduringuse.Therefore,quantitativelyanalyzingthestressofspiralbevelgeariscrucial.Thispapermainlystudiesthefiniteelementanalysisofspiralbevelgearstressbasedondifferentcontactcenters.Byestablishingamathematicalmodelofspiralbevelgearandusingfiniteelementsoftwaretoperformnumericalsimulation,thestressdistributionofspiralbevelgearunderdifferentcontactcentersisobtained.Theresultsshowthatthestressdistributionofspiralbevelgearhassignificantdifferencesunderdifferentcontactcenters,whichprovidesimportantreferenceforthedesignofspiralbevelgearinactualproduction.
Keywords:Spiralbevelgear;Finiteelementanalysis;Contactcenter;Stressdistribution;Numericalsimulation
1.引言
斜齿轮作为机械行业常用的一种转动配件，在使用过程中需要承受高强度的应力作用。因此，对其应力分布进行定量分析，能够为实际生产中的斜齿轮设计提供重要的参考依据[1]。而斜齿轮的应力分布情况与接触中心的位置密切相关。因此，本文旨在基于不同接触中心的斜齿轮应力有限元分析，探究其应力分布特征，并为实际生产设计提供参考。
2.理论分析
2.1斜齿轮数学模型
斜齿轮是由锥形齿轮和螺旋齿轮组成的转动机构。其数学模型可以被视为两个轴的交点旋转体。如图1所示，锥齿轮的圆锥面与螺旋齿轮的齿面相对接触，圆锥面轴线与齿面轴线交叉于点O，图中也称为齿轮交点。斜齿轮的轴线一般位于锥齿轮的圆锥面轴线和螺旋齿轮的齿面轴线之间。
图1斜齿轮数学模型
2.2斜齿轮应力分析
斜齿轮在运转过程中，由于其齿面曲率半径是常数曲率半径的一半，因此其齿面接触应力分布具有较强的非均匀性。同时，由于斜齿轮的齿数较少，因此其齿面应力集中现象较为突出。一般而言，斜齿轮的应力主要包括接触应力、弯曲应力和扭矩应力等三种。
其中，接触应力是斜齿轮应力的主要组成部分。斜齿轮接触应力的大小主要受到以下因素的影响：
1）斜齿轮的齿面曲率半径。
2）斜齿轮的载荷大小。
3）斜齿轮的齿数。
4）斜齿轮接触线长度。
由此可见，斜齿轮应力分布情况具有较强的复杂性。同时，不同接触中心下的斜齿轮应力分布情况也存在较大差异，需要进一步的定量分析。
3.有限元分析
在实际生产中，通过建立斜齿轮的有限元模型，利用有限元方法对其应力分布进行数值模拟，能够较为准确地预测其应力分布情况。基于ANSYS有限元分析软件，建立了斜齿轮的三维有限元模型，如图2所示。
图2斜齿轮有限元模型
在建立了有限元模型之后，通过改变接触中心位置，对斜齿轮应力分布进行数值分析。结果如图3所示。
图3不同接触中心下斜齿轮应力分布情况
从图3中可以看出，不同接触中心下的斜齿轮应力分布情况存在较大差异。当接触中心位置从左下方移动到右上方时，斜齿轮的齿根应力逐渐减小，而齿顶应力逐渐增大。因此，在实际生产中，需要根据具体设计要求选择合适的接触中心位置，以减小斜齿轮的应力集中。
4.结论
本文基于不同接触中心的斜齿轮应力有限元分析，探究了其应力分布情况。通过建立斜齿轮的数学模型，并利用有限元软件对其进行数值模拟，获得了斜齿轮在不同接触中心下的应力分布