基于ANSYS Workbench的回转机构回转齿圈接触有限元分析

李 倩，董万福，王调品

(1.西华大学 机械工程与自动化学院，四川 成都 610039;2.成都大学机械工程学院，四川 成都 610106;3.成都市工业职业技术学院，四川 成都 610213)

基于ANSYS Workbench的回转机构回转齿圈接触有限元分析

李 倩1，2，董万福2，王调品3

(1.西华大学 机械工程与自动化学院，四川 成都 610039;2.成都大学机械工程学院，四川 成都 610106;3.成都市工业职业技术学院，四川 成都 610213)

利用三维建模软件CATIA对回转机构的回转齿圈进行了建模，并将模型导入有限元分析软件ANSYS Workbench中进行接触分析，计算了齿圈的接触受力情况，得出了齿面接触分析的应力应变云图，并和传统的齿面接触强度校核数据做了对比，可为齿圈强度优化研究提供依据.

回转齿圈;CATIA;ANSYS Workbench;齿面接触分析

0 引言

回转机构齿圈副是以驱动轮围绕着齿圈滚动的开式传动齿圈副形式(见图1).在该机构中，3个电机驱动齿轮带动回转齿圈工作.图2为75RVF型回转机构齿圈三维结构图，回转齿圈作为承载载荷和传递动力主要承担者，属于低速(V＜2 m/s)，重载，且频繁正反转的齿圈传动［1］.齿圈水平轮和滚道之间承受着较大的周期性的和非周期性的惯性力载荷和动载荷作用.因此，该机构的齿轮齿圈更易于产生啮合轮齿的破坏现象.通常，回转齿圈的维修主要是更换齿圈，而齿圈制造周期长，且齿圈的拆卸、换装操作繁琐.

图1 回转机构示意图

图2 75RVF型回转机构齿圈三维结构示意图

齿圈啮合传动接触问题一直是机械工程应用实例中最为常见的一类接触问题.传统计算方法中，齿圈接触强度以Henz理论为基础，通过对实际工程问题通过一定程度的简化而分析计算出来的.在此基础上，本研究以三维建模得到的仿真模型为例，在ANSYS Workbench软件平台上，采用有限元方法求解斜齿圈的接触强度.

1 齿圈模型创建

ANSYS Workbench是ANSYS公司推出的最新的CAE协同仿真软件，该软件在客户化、集成性、参数化3个方面为产品研发流程带来革命性的变化，将是未来的CAE软件的主流.首先，该软件利用当前应用广泛的三维软件CATIA建模，再利用CATIA与ANSYS Workbench的接口，将模型导入到ANSYS Workbench中进行分析，这样使得模型的创建更加灵活简便.

75RVF型回转机构中回转齿圈材料为42CrMo，3个由电机驱动的相同驱动齿轮的材料为20CrMnTi，二者的模数为20、选用标准压力角14°，齿顶高系数和顶隙系数分别为1、0.25.依据以上参数和渐开线齿轮的创建方法创建模型.图3为模型的啮合局部放大图［2－3］.

图3 啮合局部放大示意图

2 齿圈接触应力有限元分析计算

2.1 分析过程条件

为了便于求解，在保证求解结果精确性和合理性的条件下，本研究对回转齿圈轮齿弯曲强度求解模型做如下假设或者条件限制:

1)为了提高网格质量及模型计算精度，特将齿圈连接传动轴部分进行模型简化，虽然齿圈结构循环对称，但是在传动时，仅有局部受力，因此也不能完全对称简化，故只忽略一些对轮齿强度影响很小的结构，例如倒角等.

2)齿圈材料是连续的、线弹性的和均匀的，齿圈的应力和应变间呈线性关系.分析过程中，不考虑温度变化和齿间摩擦力对弯曲应力的影响，轮齿间的作用力在接触线的分布假设为均匀分布.

2.2 材料属性定义

齿圈的静态弯曲应力有限元分析属于线性静力学结构分析，初始状态下模型的响应可由材料线弹性模型确定，本研究将其定义为各向同性，然后通过输入弹性模量、密度和泊松比来完成材料物理特性属性的定义.表1为回转齿圈和驱动轮的属性.

表1 回转齿圈和驱动轮的材料属性

2.3 网格划分

考虑回转齿圈尺寸大，驱动轮尺寸小，相对于齿圈来说啮合时所占的结构小，引起大齿圈的总体变形也小，3个驱动轮间隔较大，和回转齿圈啮合时的工作情况相同，啮合时引起变形不会产生在公共区域.为了提高计算效率，将模型简化成一对齿圈的啮合的工作形式，并只对一对齿圈的工作状况进行分析.在网格划分时，针对驱动轮和大回转齿圈各自几何模型特点和ANSYS Workbench的3D几何体的网格划分方法的使用范围，3个驱动轮都采用四面体单元划分法，而回转齿圈采用多域扫略法.模型的网格划分如图4所示.

图4 网格划分示意图

2.4 创建接触对

创建接触对的过程就是确定接触面和目标面、定义接触单元、定义单元属性的过程.在ANSYS Workbench中，当零件缝隙小于接触公差时，Mechanical会自动探测并产生接触.手动定义接触时，需要选择接触面、目标面以及设置相关选项.一对齿圈模型中设定驱动轮在啮合接触的瞬间是逆时针回转，则判断出驱动轮轮齿上有一个面与从动轮轮齿上相对应的面在啮合转动过程中发生接触(见图5).按照ANSYS Workbench的接触面与接触目标面的通用选择原则，选定驱动轮的潜在接触齿面为接触面，而从动轮的潜在接触齿面为目标面.图5为回转齿圈和驱动轮接触面示意图.

图5 回转齿圈和驱动轮间接触面示意图

2.5 约束和载荷

在对齿圈做静力学分析时，将与轴承配合的回转齿圈中心孔设定为固定，使其在X、Y、Z方向均不产生位移.齿圈啮合时轮齿间的载荷为齿面的法向力，其可分解为径向力、圆周力.施加载荷时，选择在整个齿面施加面载荷，这样更符合齿圈啮合工作状态［5］.

已知3个电机的功率，计算出圆周力，添加各个方向的分量，就可完成对有限元模型的加载.本研究对象的75RVF型回转机构其主要性能参数如表2所示.

表2 75RF型回转机构参数

3个电机传递的转矩为，

则，圆周力，

径向力，

法向力，

其中，d1为驱动轮分度圆直径;α为啮合角.

2.6 结 果

2.6.1 应力及位移云图.

ANSYS Workbench求解结束后，进入后处理模块可查看分析结果.通过后处理得到的齿圈位移云图和应力云图如图6、7所示.

图6 齿圈的总体变形示意图

图7 Von-Mises等效应力示意图

从图6、7可直观地看出，齿圈X/Y/Z不同方向上位移和应力的分布，以及最大位移和最大应力所在的具体位置.

2.6.2 与传统计算方法的比较.

回转机构齿圈的齿面接触强度的相关系数如表3所示.

表3 齿面接触强度的相关系数［7］

参照直齿圈传动接触强度计算校核公式，得，

其中，K为载荷系数;σH为齿面接触应力.

利用ANSYS Workbench分析工具计算出的最大齿面接触应力为344.7 MPa，小于传统计算方法中得到的416.4 MPa，应力值稍大.这是由于传统的计算公式将轮齿视为接触的圆柱型刚体，按照线接触进行计算所致.实际上，齿轮齿面是局部区域接触.

3 结论

本研究将建立的CATIA模型导入到ANSYS Workbench中，建立了回转机构回转齿圈啮合结构的有限元模型.在分析过程中，对分析流程中材料的属性、网格划分原则、载荷和约束的施加等都进行了具体说明，最终得出了回转齿圈啮合机构的齿面接触应力等数据.分析结果表明，利用有限元法分析获得的齿面接触最大应力要比使用传统计算方法得到的最大应力稍小，这表明传统的计算方法是相对保守的，但也是相对安全的.

［1］郭实英，朱坤建.起重机回转齿圈的修复［J］.工程机械与维修，2008，15(12):167.

［2］韩书葵.CATIA V5应用教程［M］.北京:清华大学出版社，2008.

［3］廖坤明，张斌，张志强.基于精确模型的齿轮参数化设计［J］.机械设计与制造，2010，34(1):171 －172.

［4］陈毅.20CrMnMo齿轮齿根残余应力理论及试验研究［D］.重庆:重庆大学，2013.

［5］孙志莹，曾红.基于ANSYS Workbench对渐开线直齿圆柱齿轮接触疲劳寿命分析［J］.现代机械，2011，32(2):18 －20、84.

［6］周钊.基于ANSYS Workbench的直齿轮接触分析［J］.湖北汽车工业学院学报，2011，25(4):77－80.

［7］濮良贵，纪名刚.机械设计［M］.北京:高等教育出版社，2012.

Finite Element Analysis of Slewing Ring Gear Contact of Slewing Mechanism Based on ANSYS Workbench

LI Qian1，2，DONG Wanfu2，WANG Diaopin3
(1.School of Mechanical Engineering and Automation，Xihua University，Chengdu 610039，China;2.School of Mechanical Engineering，Chengdu University，Chengdu 610106，China;3.Chengdu Industrial Vocational Technical College，Chengdu 610213，China)

This paper discusses the molding of the slewing ring gear of slewing mechanism by the three-dimensional modeling software CATIA.The contact analysis is done by importing the model into the finite element analysis software ANSYS Workbench.This paper calculates the contact stress distribution of the ring gear，and obtains the stress and strain contours of the tooth contact analysis.We contrast the data with the traditional tooth contact intensity data，which is conducive to the ring gear strength optimization research.

slewing ring gear;CATIA;ANSYS Workbench;tooth contact analysis

TH132.41

A

1004－5422(2015)01－0076－04

2014－10－11.

李 倩(1988—)，女，硕士研究生，从事机械结构设计与优化研究.

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