磁力齿轮结构的有限元分析研究

吴真昱　黄瑶　廖斌

摘  要：传统啮合传动式齿轮在工作中由于接触磨损，容易产生磨损，进而导致失效，磁力齿轮可解决以上问题。本文对磁力齿轮进行有限元分析，在满足强度和负载的前提下，对磁力齿轮的结构进行优化，以达到减重的目的，并得出一种磁力齿轮新型的结构优化方法。

关键词：磁力齿轮;有限元分析;优化

引言

在现代化设备生产过程中，齿轮传动被广泛应用于各个环节。传统的接触啮合式齿轮在啮合传动时，两渐开线齿廓之间会产生一定的相对滑动，从而在载荷的作用下，齿面之间的灰尘和硬屑粒会进入齿轮之间的啮合部位，从而引起齿轮之间的磨损。因此，如何减少或防止齿轮之间的磨损，延长齿轮的使用寿命，是亟待解决的问题。

针对齿轮之间的磨损问题，可以采用永磁片的同级互斥原理，将永磁片镶嵌在齿的两边，实现非接触式传动。然而，磁力齿轮是依靠磁力实现传动，那么齿轮本身的重量对传动过程就会一定的影响。因此，如何在保证强度的前提下，对磁力齿轮的结构进行优化，以达到减重的目的，是保证磁力齿轮稳定传动亟待解决的问题。

本文通过建立三维模型，对磁力齿轮进行有限元分析，从减重的方向出发，在满足强度的要求下，对磁力齿轮进行结构的优化，得到一种磁力齿轮新型的结构优化方法。

1磁力齒轮模型建立

磁力齿轮需要在轮齿的两侧嵌入永磁片，因此轮齿的侧面设计成平面。同时，为了简化模型，方便进行分析过程中网格的划分，在不影响结果的前提上，将轮齿的侧面设计成整块平面，去掉齿轮的键槽。模型的齿根圆直径50mm，齿顶圆直径70mm，厚度10mm。磁力齿轮的材料采用的是X6Cr13不锈钢，该材料的具体属性参数见表1。

2 基于有限元法的磁力齿轮强度计算

为了确保磁力齿轮安全可靠的工作，下面用SolidWorks simulation对磁力齿轮进行应力和应变分析，并进行优化。

2.1 网格划分

将磁力齿轮的模型导入有限元软件SolidWorks simulation中，并对磁力齿轮进行网格的划分，网格密度选择到良好，雅可比点选择4点，标准网格下的网格参数，整体大小为1.82779895mm，公差为0.09138995mm。划分后的网格图如图1所示。

2.2 夹具添加

磁力齿轮在工作时，可以将磁力齿轮与转轴接触的圆环面看做是固定面，于是在圆环面上添加夹具，将其固定。磁力齿轮添加夹具后示意图如图2所示。

2.3 外部载荷添加

要想对磁力齿轮的强度进行分析，就必须分析极限工作状态下的受力，磁力齿轮极限工作状态下的受力与传统啮合型齿轮不同，磁力齿轮是在主动轮的一个齿在从动轮的两个齿中间位置的时候达到极限工作状态，此时的从动轮的两个齿分别受到方向不同，大小相等的力。分别添加两个100N的力，受力示意图如图3所示。

2.4 结果分析

基于SolidWorks simulation对磁力齿轮进行应力分析，得出的结果如图4所示。

屈服力为2.3e+8N，由图上数据可以看出该磁力齿轮最大应力处在屈服极限内，并且有的网格部分受到的应力并不大，可以进行切割优化。

3 磁力齿轮结构优化

对所受应力较小的网格部分进行剔除，再次划分网格、添加夹具、添加载荷，再次对结构优化后的磁力齿轮进行应力分析。得到的结果如图5所示，由图我们可以发现，磁力齿轮最大应力处仍在屈服极限内，所以本次结构优化符合要求。

4 结语

本文对磁力齿轮进行了有限元分析，提出了磁力齿轮不同于传统啮合齿轮的外部载荷添加方法，得出了一种新型的磁力齿轮结构，为磁力齿轮的结构发展提供了一种简便、有效的优化方案。

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