目錄 第一章

　 緒

　論 ..................................................................................................... -

　2

　-

　1.1 齒輪的淬火處理................................................................................... - 2 -

　1.2 有限元方法............................................................................................ - 2 -

　1.3 齒輪有限元仿真的現(xiàn)狀........................................................................ - 2 -

　1.4 課題意義............................................................................................... - 3 -

　1.5 研究?jī)?nèi)容............................................................................................... - 3 -

　第二章

　 圓柱齒輪的幾何特征和模型建立 ...................................................... -

　4

　-

　2.1

　圓柱齒輪的幾何特征......................................................................... - 4 -

　2.2 圓柱齒輪的三維模型建立................................................................... - 5 -

　第三章

　 圓柱齒輪滲碳淬火過(guò)程熱力學(xué)模型 .................................................. -

　5

　-

　3.1 相關(guān)材料熱力學(xué)參數(shù)........................................................................... - 6 -

　3.1.1 熱學(xué)性能參數(shù)................................................................................................ - 6 -

　3.1.2 力學(xué)性能參數(shù)............................................................................................... - 6 -

　3.2 建立齒輪模型....................................................................................... - 6 -

　3.3 淬火仿真方案及其相關(guān)參數(shù)........................................................................... - 7 -

　第四章

　 圓柱齒輪淬火過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真 ...................................................... -

　8

　-

　4.1

　溫度場(chǎng)分布的仿真 ...................................................................................... -

　8

　-

　4.1.1 瞬態(tài)傳熱的數(shù)學(xué)模型................................................................................... - 8 -

　4.1.2 齒輪淬火溫度場(chǎng)的仿真............................................................................... - 8 -

　4.1.3 溫度場(chǎng)仿真................................................................................................... - 9 -

　4.2 淬火應(yīng)力分布的仿真..................................................................................... - 11 -

　第五章

　 結(jié)論 .................................................................................................... -

　12

　-

　5.1 結(jié)論................................................................................................................. - 12 -

　參考文獻(xiàn) ............................................................................................................ -

　13

　-

　精選文庫(kù) - - 2 - 第一章

　緒 論 1.1 齒輪的淬火處理

　齒輪傳動(dòng)是機(jī)器中最常見(jiàn)的一種機(jī)械傳動(dòng)，是傳遞機(jī)器動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的一種主要形式，是各種機(jī)械產(chǎn)品的重要基礎(chǔ)零部件。它與帶、鏈、摩擦、液壓等機(jī)械傳動(dòng)相比，具有功率范圍大、傳動(dòng)效率高、圓周速度高、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、使用壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)尺寸小等一系列特點(diǎn)。因此，它已成為許多機(jī)械產(chǎn)品不可缺少的傳動(dòng)部件也是機(jī)器中所占比重最大的傳動(dòng)形式。齒輪的設(shè)計(jì)與制造水平將直接影響到機(jī)械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。由于齒輪在工業(yè)發(fā)展中的突出地位，致使齒輪被公認(rèn)為工業(yè)化的一種象征。

　隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，作為國(guó)家基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的機(jī)械設(shè)備也相應(yīng)朝著大型化方向發(fā)展。作為機(jī)械設(shè)備的重要元件—齒輪傳動(dòng)裝置的傳遞功率也越來(lái)越大，產(chǎn)品規(guī)格尺寸也越來(lái)越大。為了滿足機(jī)械設(shè)備傳遞動(dòng)力的需要，同時(shí)減少齒輪傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)尺寸和重量、提高齒輪的承載能力以及克服熱處理技術(shù)和加工機(jī)床帶來(lái)的限制，最大化提升齒輪裝置的綜合性能指標(biāo)，要求應(yīng)用于機(jī)械中的齒輪等機(jī)械零部件具有高強(qiáng)度、高可靠性。因此，為提高機(jī)械零部件的材料強(qiáng)度，大多數(shù)采用各種熱處理及表面處理等方法。目前，常常是通過(guò)淬火實(shí)施表面硬化處理，以取代傳統(tǒng)的齒輪調(diào)質(zhì)處理。

　2 1.2 有限元方法

　ANSYS是一個(gè)功能十分強(qiáng)大的有限元分析軟件，不僅適用于常規(guī)工程問(wèn)題的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)有限元分析，還能在諸如流體力學(xué)、熱力學(xué)、溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)等方面進(jìn)行有限元計(jì)算。

　ANSYS熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計(jì)算物體內(nèi)部各點(diǎn)的溫度、并導(dǎo)出其它熱物理參數(shù)。運(yùn)用ANSYS軟件可以進(jìn)行熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射、相變、熱應(yīng)力及接觸熱阻等熱問(wèn)題的分析求解。

　ANSYS不僅能解決純粹的熱分析問(wèn)題，還能解決與熱相關(guān)的其它諸多問(wèn)題，如熱--應(yīng)力分析、熱--電分析、熱--磁分析等。一般稱這類(lèi)涉及兩個(gè)或多個(gè)物理場(chǎng)相互作用的問(wèn)題為耦合場(chǎng)分析。ANSYS提供了兩種分析耦合場(chǎng)的方法：直接耦合法和間接耦合法。

　3 1.3 齒輪有限元仿真的 現(xiàn)狀

　傳統(tǒng)的齒輪淬火都是利用表面硬化處理，或進(jìn)行鋼的調(diào)質(zhì)處理，其分析過(guò)程大都是通過(guò)實(shí)際測(cè)量，或經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)結(jié)果的處理和對(duì)比，并沒(méi)有成熟的理論和數(shù)據(jù)分析說(shuō)明，存在很大的偶然性，而且由于實(shí)驗(yàn)條件的不穩(wěn)定性，結(jié)果有時(shí)會(huì)出

　精選文庫(kù) - - 3 - 現(xiàn)很大的偏差，所以必須通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，才能得出相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)果，耗時(shí)又耗力。從有限元仿真分析的理論建立開(kāi)始，經(jīng)過(guò)很短的時(shí)間，便被各領(lǐng)域進(jìn)行了參數(shù)化分析和改進(jìn)，目前，有限元分析仿真已經(jīng)發(fā)展成為了一套成熟的理論，應(yīng)用到機(jī)械、建筑、電子等各個(gè)領(lǐng)域中，取得了很好的研究成果。

　目前，在國(guó)外，通過(guò)對(duì)齒輪進(jìn)行有限元仿真分析來(lái)獲得齒輪進(jìn)行熱處理時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)和數(shù)據(jù)，已成為一種主流的求解參數(shù)的方法，特別是針對(duì) ANSYS 分析軟件，不僅可以得到詳細(xì)的數(shù)據(jù)和參數(shù)，而且可以看到清晰的仿真過(guò)程，便于我們 對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行分析控制，所以在國(guó)外普及化程度很高；在國(guó)內(nèi)，在齒輪加工過(guò)程中，大都依然沿用傳統(tǒng)的制作工藝，又加上對(duì) ANSYS 軟件的接觸較晚，普及率相對(duì)較低，總體上還在一種學(xué)習(xí)的過(guò)程中，相信隨著國(guó)內(nèi)外技術(shù)的交流和進(jìn)步，齒輪有限元分析會(huì)很快運(yùn)用到國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)技術(shù)中，取得很大的發(fā)展。

　1.4 課題意義

　采用齒面硬化處理制成硬齒面齒輪，是提高齒輪強(qiáng)度及承載能力的有效途徑，也是齒輪傳動(dòng)的主要發(fā)展趨勢(shì)，目前大多數(shù)齒輪制造業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已普遍采用了硬齒面齒輪。在實(shí)現(xiàn)硬齒面的各種熱處理工藝（滲碳淬火、氮化、表面淬火等）中，滲碳淬火工藝雖然比較復(fù)雜，但在傳遞相同功率（扭矩）的情況下，齒輪的減速器體積最小、重量最輕，整機(jī)價(jià)格最低，是生產(chǎn)應(yīng)用中最主要的工藝方法。為得到硬齒面齒輪，各國(guó)至今仍然采用機(jī)械加工（或塑性成形）--滲碳--熱處理的傳統(tǒng)工藝存在如下問(wèn)題：

　齒輪表面滲碳層厚度不一致，不利于齒輪綜合性能的提高。滲碳處理是在齒輪切削或塑性成形后進(jìn)行，由于沒(méi)有確立滲碳層控制技術(shù)，齒根與齒面在同一滲碳氛圍中進(jìn)行滲碳處理，齒面、齒頂及齒根的滲碳層濃度、梯度、厚度大致相同。然而由于齒面與齒根的工作特性不同，要求齒面滲厚、齒根滲碳層薄。為了保證齒面的耐磨性，使含碳量達(dá)到或超過(guò)0.18%。滲碳層深度與模數(shù)之比0.12~0.125，而有效硬化層與齒輪模數(shù)之比為0.1時(shí)，齒曲疲勞強(qiáng)度最高；因此為了保證齒根彎曲強(qiáng)度，則滲碳層的含碳量和滲碳層深度就滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度的要求。在實(shí)際生產(chǎn)中，很難二者兼顧，達(dá)到理想狀態(tài)。為了防止輪齒硬化層的剝落，有效硬化層深度應(yīng)不小于最大剪應(yīng)力深度的1.5倍。

　1.5 研究?jī)?nèi)容

　1）選擇汽車(chē)圓柱齒輪為研究對(duì)象，獲取其工藝尺寸參數(shù)，為建立數(shù)學(xué)模型提供參考； 2）根據(jù)其尺寸參數(shù)，利用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模，再把模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，建立熱力學(xué)參考模型；

　精選文庫(kù) - - 4 - 3）查閱必要的資料，獲取齒輪材質(zhì)20CrNi2MoA在20～1000℃的熱、力學(xué)參數(shù)，為后繼的熱、力學(xué)分析提供依據(jù)； 4) 對(duì)圓柱齒輪實(shí)體在淬火過(guò)程中的模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真,簡(jiǎn)要地對(duì)大模數(shù)圓柱齒輪淬火變形進(jìn)行分析。

　第二章

　圓柱齒輪的幾何特征和模型建立 2.1

　圓柱齒輪的幾何特征

　本課題選用齒輪的幾何特性如下:

　圖2 2- -1 1 圓柱齒輪示意圖

　表 表 2 2- -1 1 ：圓柱齒輪參數(shù)及技術(shù)要求

　 技術(shù)要求 1，齒面淬火處理，有效硬化層深度 5-5.6mm；齒面硬度 HRC57-64；齒心硬度 HRC35-40； 2，機(jī)械性能b? ? 1080Mpa；s? ≥785Mpa；δ s ≥8%； ? ≥35%；A X ≥47J／cm2 ；

　精選文庫(kù) - - 5 - 3，淬火后對(duì)齒部進(jìn)行噴丸處理； 4，進(jìn)行探傷檢查，齒部進(jìn)行磁粉探傷，不允許存在線性磁痕顯示，整體進(jìn)行超聲波探傷，內(nèi)部不允許有白點(diǎn)、裂痕，同時(shí)內(nèi)部質(zhì)量應(yīng)符合 GB／T5000.15-1988 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Ⅲ級(jí)要求； 2.2 圓柱齒輪的三維模型建立

　首先，根據(jù)齒輪的各項(xiàng)數(shù)據(jù)和參數(shù)，利用 SolidWorks 軟件對(duì)齒輪進(jìn)行三維模型的建造，圖 2-2 即為該齒輪的三維模型。

　圖 圖 2 2- - 2 用 用 SolidWos rks 創(chuàng)建的齒輪三維模型圖

　 由于齒輪各輪齒參數(shù)相同，熱處理的邊界條件相同，生產(chǎn)中對(duì)大模數(shù)齒輪一般采用逐步淬火的方法，即對(duì)齒輪單齒進(jìn)行逐一淬火，為了能夠準(zhǔn)確和方便地建立幾何模型，可選取齒輪的 1/54 部分，即單齒進(jìn)行模型建立，這樣可以簡(jiǎn)化計(jì)算模型，節(jié)省內(nèi)存空間，提高仿真速度，其仿真結(jié)果與實(shí)際完整齒輪基本一致。圖 2-3 即為用 SolidWorks 創(chuàng)建的單齒的三維模型。

　圖 圖 2 2- - 3 用 用 s SolidWorks 建立的齒單齒的三維模型

　生成模型后，將當(dāng)前模型另存為*.x_t 格式，留作之后導(dǎo)入 ANSYS 軟件。

　第三章

　圓 柱齒輪滲碳淬火過(guò)程熱力學(xué)模型

　 20CrNi2MoA低碳合金鋼是大模數(shù)齒輪首選的滲碳鋼之一，長(zhǎng)期以來(lái)具有穩(wěn)

　精選文庫(kù) - - 6 - 定的化學(xué)成分、成熟的冶煉工藝過(guò)程。其熱力學(xué)性能參數(shù)已作為標(biāo)準(zhǔn)列入國(guó)家滲碳鋼材料手冊(cè)。

　3.1 相關(guān)材料熱力學(xué)參數(shù)

　1 3.1.1 熱學(xué)性能參數(shù)

　圓柱齒輪材料選用 20CrNi2MoA，當(dāng)利用 ANSYS 軟件對(duì)其淬火過(guò)程進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真時(shí)，需要提供材料密度、比熱容、熱傳導(dǎo)率等參數(shù)，其對(duì)應(yīng)的參數(shù)數(shù)值如表 3-1【8】：

　表 表 3 3- -A 1 20CrNi2MoA 熱學(xué)性能參數(shù)

　密度 ? （Kg/m3 ）

　20℃ 7850 比 熱 容 C p【J/(Kg ? K)】

　460 溫度 t(℃) 0 100 200 400 600 800 1000 熱傳導(dǎo)率 ? 【W(wǎng)／（m ? K）】

　14.7 16.6 18 20.8 23.5 26.3 28.2 3.1.2 力學(xué)性能參數(shù)

　同樣的，當(dāng)利用 ANSYS 軟件對(duì)齒輪的淬火過(guò)程進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)仿真時(shí)，也需要提供在不同溫度下的彈性模量、屈服強(qiáng)度、切變模量、泊松比、線膨脹系數(shù)等力學(xué)性能參數(shù)，見(jiàn)表 3-2：

　表 表 3 3- -A 2 20CrNi2MoA 力學(xué)性能參數(shù)

　溫度 t (℃) 彈性模量 E （Pa）

　屈服強(qiáng)度?

�。≒a）

　切變模量 G （Pa）

　泊松比 線膨脹系數(shù) 1／℃ 20 1.93e11 0.2e9 1.93e10 0.29 1.78e-5 500 1.5e11 0.933e9 1.5e10 1000 0.7e11 0.435e9 0.7e10 1500 0.1e11 0.07e9 0.1e10 2000 0.01e11 0.007e9 0.01e10

　3.2 建立齒輪模型

　利用 ANSYS 建立分析模型最常用的方法有兩種：一種是利用 ANSYS 的繪圖功能，生成分析模型，再進(jìn)行仿真模擬；另外一種，就是利用 ANSYS 與其它三維繪

　精選文庫(kù) - - 7 - 圖軟件，如 AutoCAD，SolidWorks，Pro/E 等強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸能力，本課題就是利用 SolidWorks 軟件進(jìn)行建模，然后導(dǎo)入 ANSYS 軟件中，具體步驟為：運(yùn)行 ANSYS軟件，【File】→【Import】→【PARA】,彈出窗口中查找到之前保存的*.x_t 文件,選中，【OK】，導(dǎo)入完成，現(xiàn)在看到的是線框，接著【Ploctrls】→【Style】→【Solid Model Facets】,下拉框中選擇【Normal Faceting】→【OK】,接著鼠標(biāo)右鍵，選擇【Replot】即可看到實(shí)體，如圖 3-1：

　圖 圖 3 3- -S 1

　ANSYS 建模分析圖

　3.3 淬火仿真方案及其相關(guān)參數(shù)

　依賴有限元方法可以仿真淬火齒輪內(nèi)部溫度變化過(guò)程，這樣可以得到齒輪內(nèi)部的仿真溫度場(chǎng)，然后計(jì)算、仿真齒輪的淬火變形情況。但是，首先需要確定初始的溫度邊界條件和對(duì)流換熱系數(shù)。

　齒輪齒面在油性介質(zhì)中淬火，其介質(zhì)主要在上下深度方向流動(dòng)（既齒寬方向），其流速一般取0.7-1.5m/s的中間值，將粗車(chē)齒輪放入電熱爐中加熱到780-820℃，接著通過(guò)行車(chē)將工件立即置入室溫淬火油井中，冷卻2小時(shí)后取出，根據(jù)長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取淬火油平均溫度30℃。

　數(shù)據(jù)：淬火油為AN32淬火油，使用溫度為30℃，淬火前齒輪加熱溫度800℃；AN32淬火油：黏度m? =32X10-6 （Pa·s）,熱導(dǎo)率m ? =0.1276W（m·K）,密度mc? =882.5㎏／m3 。

　 我們根據(jù)研究需要將淬火分為2個(gè)階段：淬火變形期和淬火冷卻期。本文使用經(jīng)典傳熱理論進(jìn)行相似計(jì)算獲得淬火變形期不同階段（我們根據(jù)研究需要取0-15秒）的平均對(duì)流換熱系數(shù)紅h l ,隨著淬火冷卻的進(jìn)行,齒輪和淬火油溫差的減少, h l 開(kāi)始衰減【12】

　。齒輪的變形主要發(fā)生在淬火變形期,這期間齒輪和淬火油溫差最大,對(duì)流劇烈(且可能存在相變時(shí)，流體吸收或放出汽化潛熱，其局部對(duì)流換熱系數(shù)有可能大于h l )，因此齒輪內(nèi)部將產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致齒輪的不規(guī)律

　精選文庫(kù) - - 8 - 的變形。我們把有限元方法引入齒輪淬火的應(yīng)力應(yīng)變分析中，結(jié)合最優(yōu)化方法中的試探法，逐步掌握齒輪淬火變形趨勢(shì)，為生產(chǎn)加工提供數(shù)據(jù)參考和改良依據(jù)。

　第四章

　圓柱齒輪淬 火過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真 4.1 溫度場(chǎng)分布的仿真

　4.1.1 瞬態(tài)傳熱的數(shù)學(xué)模型

　當(dāng)齒輪淬火時(shí)，會(huì)發(fā)生組織轉(zhuǎn)變（奧氏體可能分解為鐵素體、珠光體、貝氏體、馬氏體）同時(shí)釋放潛熱，雖然釋放潛熱不像熔化或凝固時(shí)潛熱那么大，但也是不可忽略的因素，潛熱釋放將使得整個(gè)仿真過(guò)程波動(dòng)和非線性變化，為研究帶來(lái)難度。根據(jù)Fourier定律，運(yùn)用能量守恒原則，對(duì)于物體溫度隨時(shí)間而變（非穩(wěn)態(tài)問(wèn)題）

　4.1.2 齒輪 淬火 溫度 場(chǎng) 的仿 真

　ANSYS能夠很好地完成瞬態(tài)熱分析，瞬態(tài)傳熱分析計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)地隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)及其他熱參數(shù)，在工程上一般用其計(jì)算溫度場(chǎng)并作為熱載荷進(jìn)行應(yīng)力分析。瞬態(tài)傳熱分析中的載荷是隨時(shí)間變化的，必須將載荷-時(shí)間曲線分為載荷步，載荷-時(shí)間曲線中的每一個(gè)拐點(diǎn)為一個(gè)載荷步，如圖所示對(duì)于每個(gè)載荷步，必須定義載荷值及時(shí)問(wèn)值，同時(shí)必須選擇載荷步為簡(jiǎn)便或階越。ANSYS瞬態(tài)熱分析基本步驟包括構(gòu)建模型、施加載荷、求解與后處理。步驟1 建模的基本流程如圖4-1

　 圖4 4- - 1

　ANSYS 建模流程圖

　圖4 4- - 2

　熱力學(xué)模型的網(wǎng)格劃分圖

　根據(jù)以上步驟，設(shè)置工件名為chilundanchi，定義材料密度3/ 7820 m Kg ? ? ,比熱 ? ? K Kg J Cp ? ? / 460 ，熱傳導(dǎo)率取800℃時(shí)， ? ? K m W ? ? / 3 . 26 ? ，為得到較精確的仿真結(jié)果，劃分網(wǎng)格密度為2，經(jīng)以上步驟，得出模型的網(wǎng)格劃分圖如圖

　精選文庫(kù) - - 9 - 4-2

　步驟2 載荷求解的基本流程：

　圖4 4- - 3

　ANSYS 仿真載荷求解流程圖

　根據(jù)步驟，定義分析類(lèi)型為模型三維實(shí)體的溫度場(chǎng)仿真，設(shè)置初始溫度為800℃，淬火介質(zhì)溫度為30℃，載荷設(shè)置為30秒，每載荷步為1秒。

　步驟3 后處理的基本流程：

　 圖4 4- - 4

　ANSYS 仿真數(shù)據(jù)后處理流程圖

　由于齒輪滲碳后淬火的特殊性，整個(gè)瞬態(tài)過(guò)程的不穩(wěn)定結(jié)果，使得我們無(wú)法給出確切的即時(shí)溫度場(chǎng)，所有的仿真都是對(duì)可能持續(xù)時(shí)間的估計(jì)和推斷，也就是說(shuō)，我們只能仿真出淬火溫度場(chǎng)出現(xiàn)的趨勢(shì)和范圍，而無(wú)法給出某點(diǎn)的即時(shí)溫度。

　通常淬火是為了強(qiáng)化齒面硬度、增加耐磨性，同時(shí)增加齒輪內(nèi)部應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)變。淬火增效強(qiáng)化的時(shí)間通常在開(kāi)始淬火的幾十秒內(nèi)，但由于淬火冷卻的實(shí)際情況比較復(fù)雜，淬火增效強(qiáng)化的時(shí)間范圍難以把握，為了研究需要，我們選取0～5秒、0～10秒、0～15秒為可能出現(xiàn)的淬火增效強(qiáng)化范圍，逐一進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真。淬火增效進(jìn)行之后的溫度場(chǎng)變化對(duì)齒輪齒面性能影響較小，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力及應(yīng)變小于前者，基本上屬于典型的熱脹冷縮類(lèi)型，故不作為研究對(duì)象。以下僅列出0～5秒，0～10秒和0～15秒的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)仿真分析。

　4.1.3 溫度場(chǎng)仿真

　齒廓和內(nèi)圈邊界受淬火油作用，從被加熱的780～820℃驟冷至與淬火油邊界的平衡溫度（不等于平均溫度），考慮到液體流動(dòng)速度，冷卻時(shí)間和平衡溫度需

　精選文庫(kù) - - 10 - 要根據(jù)計(jì)算過(guò)程設(shè)定，輪齒兩側(cè)結(jié)合邊界屬于對(duì)稱邊界。這樣即可建立相應(yīng)的溫度場(chǎng)計(jì)算模型，通過(guò)2～3次迭代計(jì)算，求出輪齒與淬火油邊界的平衡溫度，然后進(jìn)行最后的溫度場(chǎng)計(jì)算。圖4-5、4-6、4-7分別為圓柱齒輪5秒,10秒和15秒淬火溫度場(chǎng)。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，冷卻層深入輪齒內(nèi)部。

　圖4 4- - 5 圓柱齒輪5 5 秒淬火溫度場(chǎng)

　圖4 4- - 6

　圓柱齒輪 10 秒淬火溫度場(chǎng)

　圖4 4- - 7 圓柱齒輪 15 秒淬火 溫度場(chǎng)

　由仿真圖可以看出齒心與齒面的溫差變化，在5秒時(shí)，△T1=53℃；在10秒時(shí)，△T2=79℃；在15秒時(shí)，△T3=87℃。隨著溫度的推移，齒心與齒面的溫差逐漸增大，其熱應(yīng)力也隨之增大，所以在淬火剛開(kāi)始的這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，是累積熱應(yīng)力的主要過(guò)程。

　由于在淬火的過(guò)程中，齒面與齒心的溫差較大，就整個(gè)齒輪而言，尺寸較小的輪齒部分淬火過(guò)程中受作用最為明顯，會(huì)引起不同程度的尺寸和形狀誤差，所以在齒輪的加工過(guò)程中，要根據(jù)仿真的結(jié)果，分析其綜合變形量，應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)加工中，為齒輪的下一步工藝加工，取一個(gè)合適的叫加工余量。

　通過(guò)對(duì)溫度場(chǎng)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，我們可以清晰地得出齒輪淬火過(guò)程中各時(shí)間段的溫度變化，各部分間的溫差范圍，推算出齒輪的各部分的淬火變形方式和形變量，同樣，根據(jù)對(duì)仿真結(jié)果個(gè)時(shí)間段的對(duì)比分析，可以較快捷準(zhǔn)確地確定齒輪淬火過(guò)程中的最佳時(shí)間，為齒輪淬火分析提供理論依據(jù)。

　精選文庫(kù) - - 11 - 4.2 淬火應(yīng)力分布的仿真

　由于齒輪的不同部分之間的熱膨脹系數(shù)不匹配，在淬火的急速冷卻過(guò)程中，彼此的收縮不一致，從而導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生，同時(shí)也達(dá)到了齒面增效強(qiáng)化的目的。熱應(yīng)力問(wèn)題實(shí)際又是兩個(gè)物理場(chǎng)之間的相互作用，故屬于耦合場(chǎng)問(wèn)題。ANSYS提供了兩種分析熱應(yīng)力的方法：直接法和間接法。

　 圖4 4- - 8

　間接法分析數(shù)據(jù)流程圖

　使用間接法的步驟基本上是先進(jìn)行熱分析，重新進(jìn)入前處理，然后設(shè)置結(jié)構(gòu)分析，讀入熱分析的節(jié)點(diǎn)溫度后再設(shè)置參考溫度，最后進(jìn)行求解和后處理。我們采用后者，先進(jìn)行熱分析獲得淬火溫度場(chǎng)分布，然后將求得的節(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷加到結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中。淬火過(guò)程產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力分布，齒廓應(yīng)力變化明顯，應(yīng)力集中在齒根部位，圖4-9、4-10、4-11分別為5秒、10秒和15秒輪齒增效強(qiáng)化的應(yīng)力分布。

　圖4 4- - 9

　圓柱齒輪5 5 秒淬火熱應(yīng)力

　 分析 1 分析 2 結(jié)果 1 結(jié)果 2

　精選文庫(kù) - - 12 -

　 圖4 4- - 10

　圓柱齒輪 10 秒淬火熱應(yīng)力

　圖4 4- - 11

　圓柱齒輪 15 秒淬火熱應(yīng)力

　通過(guò)對(duì)圖4-9進(jìn)行分析，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

　1）齒廓應(yīng)力變化明顯，應(yīng)力集中在齒根部位，且齒根部位應(yīng)力最大，極大值為530.4Mpa,齒頂最小,極小值為2.7Mpa; 2）兩側(cè)齒面應(yīng)力較芯部大，形成狹窄齒面張力的集中區(qū)域，且由齒根向齒 頂衰減，變化幅度較大； 3）內(nèi)圈應(yīng)力集中明顯，內(nèi)圈到齒頂應(yīng)力變化平穩(wěn)； 4）其它時(shí)間段的輪齒增效強(qiáng)化情況與圖4-9類(lèi)似，隨著時(shí)間段拉長(zhǎng)，應(yīng)力向 輪齒內(nèi)部擴(kuò)散。

　第五章

　結(jié)論 5.1 結(jié)論

　 本課題采用了 ANSYS 有限元分析計(jì)算軟件，對(duì)圓柱齒輪進(jìn)行溫度場(chǎng)—應(yīng)力場(chǎng)的耦合、溫度場(chǎng)、應(yīng)力分布和應(yīng)變的仿真計(jì)算。在此期間，我根據(jù)齒輪參數(shù)，用 SolidWorks 三維繪圖軟件繪制出了圓柱齒輪的三維造型圖，并把數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS 軟件，建立了圓柱齒輪淬火過(guò)程熱力學(xué)模型，接著用計(jì)算機(jī)仿真了圓柱齒輪淬火的過(guò)程，并簡(jiǎn)要分析了大模數(shù)圓柱齒輪淬火的變形。

　首先根據(jù)參數(shù)，用 SolidWorks 三維繪圖軟件進(jìn)行了圓柱齒輪的三維造型，并利用 SolidWorks 軟件和 ANSYS 軟件的的數(shù)據(jù)傳輸功能，將齒輪的三維造型圖導(dǎo)入了 ANSYS 軟件，并采用了 ANSYS 有限元分析計(jì)算軟件，完成了對(duì)圓柱齒輪淬火過(guò)程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的有限元仿真分析，并通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，得出了淬火過(guò)程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

　通過(guò)此次對(duì)大模數(shù)齒輪的淬火過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真和分析，所揭示的規(guī)律和結(jié)果，對(duì)以后的深入研究都有一定的參考價(jià)值和意義。

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