基于ANSYS的斜齿轮淬火温度场和应力场仿真分析资料.docx
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基于ANSYS的斜齿轮淬火温度场和应力场仿真分析资料
2012届本科毕业论文（设计）
论文题目：
基于ANSYS的斜齿轮淬火温度场和应力场仿真分析
学生姓名：
所在院系：
机电学院
所学专业：
机械设计制造及其自动化
导师姓名：
完成时间：
2012年5月10日
基于ANSYS的斜齿轮淬火温度场和应力场的仿真分析
摘要
齿轮传动是现代机器中最常见的一种机械传动，是传递机器动力和运动的一种主要形式，是各种机械产品的重要基础零部件。
在齿轮传动过程中，需要有较好的硬度和耐磨性，这可以通过齿轮的淬火来完成，但在淬火过程中，齿轮的尺寸和形状都会出现不同程度的改变，特别是大型淬火齿轮的变形，我们需要进行很好地控制，但这种研究，需要受到条件的限制，较高的成本和较长的实验时间，通过计算机仿真，可以大大提高研究效率，降低实验费用，还可以仿真在不同工艺参数下的实验，获得合理可行的最佳的工艺参数。
本课题利用了ANSYS有限元仿真分析软件，对齿轮淬火过程的温度场和应力场进行了仿真，得出了在不同时间段内淬火过程的温度和应力分布图，并进行了数据的分析对比，得出了影响淬火效果的各因素之间的关系，为之后对齿轮淬火变形的研究分析提供了数值依据。
关键词：
斜齿圆柱齿轮，淬火，有限元，计算机仿真
TemperatureFieldandStressFieldintheQuenchingProgressofHelicalGearBasedonANSYS
Abstract
Geartransmissionisoneofthemostcommonmechanicaltransmissioninmodernmachines,it’samainformoftransferringpowerandsportofmachine,andit’stheimportantfoundationofsparepartsinallkindsofmechanicalproducts.Intheprocessofgeartransmission,itneedsgoodhardnessandwearresistance.Thiscanbecompleted,throughthequenching,butduringthequenching,thesizeandshapewillchange,especiallythequenchingofbiggear.Weneedtocontrolitperfectly,butthisstudyneedsthelimitofthecondition,moremoneyandlongertime.Throughthecomputerweansavemuchtimeandmoney,anditcangetthemostsuitableresults.
ThissubjectusesANSYSsoftwaretosimulatethequenchingprogressofgearofthetemperaturefieldandstressfield,whichconcludesthatthedifferentperiodquenchingprogresstemperatureandstressdistributionandtheanalysisofthedatacontrast,andtheinfluenceofquenchingeffectthattherelationshipbetweenthevariousfactors,Asforthegearafterquenchingdeformationofnumericalanalysisprovidesthebasis.
Keywords:
Helical-SpurGear，Quenching，FiniteElement，ComputerSimulation
第一章绪论
1.1齿轮的淬火处理
齿轮传动是近代机器中最常见的一种机械传动，是传递机器动力和运动的一种主要形式，是各种机械产品的重要基础零部件。
它与带、链、摩擦、液压等机械传动相比，具有功率范围大、传动效率高、圆周速度高、传动比准确、使用寿命长、结构尺寸小等一系列特点。
因此，它已成为许多机械产品不可缺少的传动部件也是机器中所占比重最大的传动形式。
齿轮的设计与制造水平将直接影响到机械产品的性能和质量。
由于齿轮在工业发展中的突出地位，致使齿轮被公认为工业化的一种象征。
随着我国国民经济的快速发展，作为国家基础产业的机械设备也相应朝着大型化方向发展。
作为机械设备的重要元件—齿轮传动装置的传递功率也越来越大，产品规格尺寸也越来越大。
为了满足机械设备传递动力的需要，同时减少齿轮传动的结构尺寸和重量、提高齿轮的承载能力以及克服热处理技术和加工机床带来的限制，最大化提升齿轮装置的综合性能指标，要求应用于机械中的齿轮等机械零部件具有高强度、高可靠性。
因此，为提高机械零部件的材料强度，大多数采用各种热处理及表面处理等方法。
目前，常常是通过淬火实施表面硬化处理，以取代传统的齿轮调质处理【1】【2】。
1.2有限元方法
ANSYS是一个功能十分强大的有限元分析软件，不仅适用于常规工程问题的静态或动态有限元分析，还能在诸如流体力学、热力学、温度场、电磁场等方面进行有限元计算。
ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算物体内部各点的温度、并导出其它热物理参数。
运用ANSYS软件可以进行热传导、热对流、热辐射、相变、热应力及接触热阻等热问题的分析求解。
ANSYS不仅能解决纯粹的热分析问题，还能解决与热相关的其它诸多问题，如热--应力分析、热--电分析、热--磁分析等。
一般称这类涉及两个或多个物理场相互作用的问题为耦合场分析。
ANSYS提供了两种分析耦合场的方法：
直接耦合法和间接耦合法。
直接耦合法的耦合单元包含与相应的耦合场相关的所有必须的自由度，采用耦合单元仅仅通过一次求解就能得出耦合场的分析结果。
这种方法实际上是通过计算包含所有必须项的单元矩阵或单元载荷向量来实现的。
间接耦合法又称序贯耦合法，主要通过第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场的耦合。
热—应力耦合分析就是将热分析得到的节点温度作为载荷施加到后继的应力分析中来实现耦合【3】【4】。
1.3齿轮有限元仿真的现状
传统的齿轮淬火都是利用表面硬化处理，或进行钢的调质处理，其分析过程大都是通过实际测量，或经验进行对结果的处理和对比，并没有成熟的理论和数据分析说明，存在很大的偶然性，而且由于实验条件的不稳定性，结果有时会出现很大的偏差，所以必须通过大量的实验，才能得出相对稳定的结果，耗时又耗力。
从有限元仿真分析的理论建立开始，经过很短的时间，便被各领域进行了参数化分析和改进，目前，有限元分析仿真已经发展成为了一套成熟的理论，应用到机械、建筑、电子等各个领域中，取得了很好的研究成果。
目前，在国外，通过对齿轮进行有限元仿真分析来获得齿轮进行热处理时的各项参数和数据，已成为一种主流的求解参数的方法，特别是针对ANSYS分析软件，不仅可以得到详细的数据和参数，而且可以看到清晰的仿真过程，便于我们对整个过程进行分析控制，所以在国外普及化程度很高；在国内，在齿轮加工过程中，大都依然沿用传统的制作工艺，又加上对ANSYS软件的接触较晚，普及率相对较低，总体上还在一种学习的过程中，相信随着国内外技术的交流和进步，齿轮有限元分析会很快运用到国内的生产技术中，取得很大的发展。
1.4课题意义
采用齿面硬化处理制成硬齿面齿轮，是提高齿轮强度及承载能力的有效途径，也是齿轮传动的主要发展趋势，目前大多数齿轮制造业发达国家已普遍采用了硬齿面齿轮。
在实现硬齿面的各种热处理工艺（渗碳淬火、氮化、表面淬火等）中，渗碳淬火工艺虽然比较复杂，但在传递相同功率（扭矩）的情况下，齿轮的减速器体积最小、重量最轻，整机价格最低，是生产应用中最主要的工艺方法。
为得到硬齿面齿轮，各国至今仍然采用机械加工（或塑性成形）--渗碳--热处理的传统工艺存在如下问题：
齿轮表面渗碳层厚度不一致，不利于齿轮综合性能的提高。
渗碳处理是在齿轮切削或塑性成形后进行，由于没有确立渗碳层控制技术，齿根与齿面在同一渗碳氛围中进行渗碳处理，齿面、齿顶及齿根的渗碳层浓度、梯度、厚度大致相同。
然而由于齿面与齿根的工作特性不同，要求齿面渗厚、齿根渗碳层薄。
为了保证齿面的耐磨性，使含碳量达到或超过0.18%。
渗碳层深度与模数之比0.12~0.125，而有效硬化层与齿轮模数之比为0.1时，齿曲疲劳强度最高；因此为了保证齿根弯曲强度，则渗碳层的含碳量和渗碳层深度就满足齿面接触疲劳强度的要求。
在实际生产中，很难二者兼顾，达到理想状态。
为了防止轮齿硬化层的剥落，有效硬化层深度应不小于最大剪应力深度的1.5倍。
出于安全性等考虑，一般规定齿廓中点处的有效硬化层深度不小于节点处最大剪应力深度的2倍。
正常工艺条件下，齿廓的硬化层深度从齿顶到齿根平缓过渡（减小），齿根处的渗层深,其淬火变形量难以计算，使得必须提前留有充分的加工余量，保证淬火后、磨削前有足够的磨削量，实际生产中的磨削量过多、磨削难度较大，直接影响到生产成本。
故有必要建立轮齿的数学分析模型，计算热处理过程中的渗碳层厚度和加工余量问题，以此为生产工艺的参数设定提供参考【5】。
1.5研究内容
1）选择某减速器设备上斜齿圆柱齿轮为研究对象，获取其工艺尺寸参数，为建立数学模型提供参考；
2）根据其尺寸参数，利用SolidWorks软件进行三维建模，再把模型导入ANSYS软件中，建立热力学参考模型；
3）查阅必要的资料，获取齿轮材质20CrNi2MoA在20～1000℃的热、力学参数，为后继的热、力学分析提供依据；
4）对斜齿圆柱齿轮实体在淬火过程中的模型进行计算机仿真,简要地对大模数斜齿圆柱齿轮淬火变形进行分析。
第二章斜齿圆柱齿轮的几何特征和模型建立
2.1斜齿圆柱齿轮的几何特征
本课题选用齿轮的几何特性如下:
图2-1斜齿圆柱齿轮示意图
表2-1：
斜齿圆柱齿轮参数及技术要求
渐开线圆柱齿轮特性表
序号
项目名称
代号
数值
1
基本
参数
齿数
Z
87
2
模数
Mn
28
3
齿形角
an
20
4
齿高系数
Ha/Hf
1/1.4
5
分度圆柱螺旋角
β
8.5
6
螺旋线方向
LR
左
7
变位系数
X
-0.224
8
精度等级
GB10095-88
6KL
9
Ⅰ
齿距累积公差
Fp
0.16
10
Ⅱ
齿形公差
ff
0.042
11
齿距极限偏差
fpt
0.036
12
Ⅲ
齿向公差
Fβ
0.028
13
公法线跨越齿数
K
10
14
公法线理论长度
WK
815.805
15
公法线平均长度极限偏差
Ews/EWI
-0.42／-0.51
技术要求
1，齿面淬火处理，有效硬化层深度5-5.6mm；齿面硬度HRC57-64；齿心硬度HRC35-40；
2，机械性能1080Mpa；≥785Mpa；δs≥8%；≥35%；AX≥47J／cm2；
3，淬火后对齿部进行喷丸处理；
4，进行探伤检查，齿部进行磁粉探伤，不允许存在线性磁痕显示，整体进行超声波探伤，内部不允许有白点、裂痕，同时内部质量
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