塑料齒輪疲勞壽命分析

1、1的疲勞破壞疲勞是一種十分有趣的現(xiàn)象，當材料或結(jié)構(gòu)受到多次重復變化的載荷作用后，應力值雖然始終沒有超過材料的強度極限，甚至比屈服極限還低的情況下就可能發(fā) 生破壞，這種在交變載荷重復作用下材料或結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象就叫做疲勞破壞。如圖1所示，F(xiàn)表示齒輪嚙合時作用于齒輪上的力。齒輪每旋轉(zhuǎn)一周，輪齒嚙合 一次。嚙合時，F(xiàn)由零迅速增加到最大值，然后又減小為零。因此，齒根處的彎 曲應力or也由零迅速增加到某一最大值再減小為零。此過程隨著齒輪的轉(zhuǎn)動也 不停的重復。應力or隨時間t的變化曲線如圖2所示。吋創(chuàng)t/s圖2齒根應力隨時間變化曲線在現(xiàn)代工業(yè)中，很多零件和構(gòu)件都是承受著交變載荷作用， 工程塑料齒輪就是其 中

2、的典型零件。工程塑料齒輪因其質(zhì)量小、自潤滑、吸振好、噪聲低等優(yōu)點在紡 織、印染、造紙和食品等傳動載荷適中的輕工機械中應用很廣。疲勞破壞與傳統(tǒng)的靜力破壞有著許多明顯的本質(zhì)差別：1）靜力破壞是一次最大載荷作用下的破壞； 疲勞被壞是多次反復載荷作用下產(chǎn)生 的破壞，它不是短期內(nèi)發(fā)生的，而是要經(jīng)歷一定的時間。2）當靜應力小于屈服極限或強度極限時， 不會發(fā)生靜力破壞； 而交變應力在遠小 于靜強度極限，甚至小于屈服極限的情況下，疲勞破壞就可能發(fā)生。3）靜力破壞通常有明顯的塑性變形產(chǎn)生； 疲勞破壞通常沒有外在宏觀的顯著塑性 變形跡象，事先不易覺察出來，這就表明疲勞破壞具有更大的危險性。工程塑料齒輪的疲勞壽命，

3、 是設計人員十分關(guān)注的課題， 也是與實際生產(chǎn)緊密相 關(guān)的問題。 然而，在疲勞載荷作用下的疲勞壽命計算十分復雜。 因為要計算疲勞 壽命，必須有精確的載荷譜，材料特性或構(gòu)件的 S-N 曲線，合適的累積損傷理 論，合適的裂紋擴展理論等。 本文對工程塑料齒輪疲勞分析的最終目的， 就是要 確定其在各種質(zhì)量情況下的疲勞壽命。通過利用有限元方法和 CAE 軟件對工程 塑料齒輪的疲勞壽命進行分析研究有一定工程價值。2 工程塑料齒輪材料的確定超高分子量聚乙烯 （UHMWPE） 是一種綜合性能優(yōu)異的新型熱塑性工程塑料，它 的分子結(jié)構(gòu)與普通聚乙烯（PE）完全相同，但相對分子質(zhì)量可達（14） X06。隨著 相對分子質(zhì)

4、量的大幅度升高， UHMWPE 表現(xiàn)出普通 PE 所不具備的優(yōu)異性能， 如耐磨性、耐沖擊性、低摩擦系數(shù)、耐化學性和消音性等。UHMWPE 耐磨性居工程塑料之首，比尼龍 66（PA66） 高 4 倍，是碳鋼、不銹鋼 的 78倍。摩擦因數(shù)僅為 ，具有自潤滑性，不粘附性。因此，本文選用 UHMWPE 作為工程塑料齒輪材料進行研究。 UHMWPE 性能見表 1 。由于 UHMWPE 導熱性能較差，所以與其嚙合的齒輪選用鋼材料。 這樣導熱性好、 摩損小，并能彌補工程塑料齒輪精度不高的缺點。 2 嚙合齒輪均為標準直齒圓柱 齒輪，參數(shù)為：UHMWPE齒輪齒數(shù)30 ,鋼齒輪齒數(shù)20 ,模數(shù)4mm ,齒寬20m

5、m , 壓力角取為 20°。表1超高相對分子質(zhì)量聚乙烯性能UHME<0.010. 10-0.223 UHMWPE材料齒輪疲勞分析模型的建立齒輪在嚙合過程中，輪齒如同受線載荷的懸臂梁，齒根所受的彎矩最大，因此齒 根處的彎曲疲勞強度最弱。當輪齒在齒頂處嚙合時，處于雙對齒嚙合區(qū)，此時彎 矩的力臂雖然最大，但力并不是最大，因此彎矩并不是最大。根據(jù)分析，齒根所 受的最大彎矩發(fā)生在齒輪嚙合點位于單對齒嚙合區(qū)最高點時。因此，在建立 UHMWPE材料齒輪疲勞分析模型時，應該建立載荷作用于單對齒嚙合區(qū)最高 點。由機械原理漸開線齒輪連續(xù)傳動條件分析方法，可以得出單對齒輪嚙合最高點。然后利用CAXA

6、軟件的齒輪建模功能和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能建立 UHMWPE材料齒輪 疲勞分析模型如圖3所示。圖3 UHMWPE材料齒輪疲勞分析模型4利用ANSYS分析UHMWPE材料齒輪疲勞壽命ANSYS是以有限元分析為基礎的大型通用 CAE軟件，是世界上第一個通過 IS09001認可的有限元分析軟件。因此， 通過準確地建立模型、合理的網(wǎng)格劃分 與載荷施加以及邊界條件設定，就能得到可靠性較好的計算結(jié)果。對于工程塑料齒輪，由于其材料的力學性能、熱性能等都與金屬材料有很大區(qū)別， 其失效形式及失效機理與金屬齒輪也有很大區(qū)別。由于塑料齒輪的彈性模量較 低，與鋼齒輪嚙合過程中其赫茲接觸區(qū)較大， 接觸應力較小，一般不會出現(xiàn)點蝕

7、等表面失效，所以輪齒在彎曲應力作用下疲勞斷裂或折斷是塑料齒輪的主要失效 形式。因此主要對3種情況下的UHMWPE材料齒輪的疲勞壽命進行分析。UHMWPE材料齒輪無缺陷情況的疲勞壽命分析在利用ANSYS進行齒輪的疲勞分析前，需要對2嚙合齒輪進行接觸分析。按照 上文所分析的實際接觸情況，確定2齒輪單齒嚙合區(qū)域最高點位置，并定義接觸 類型為柔體對柔體的面對面接觸。取鋼齒輪嚙合面為目標面，用單元 Targel69來定義，取UHMWPE材料齒輪嚙 合面為接觸面，用單元 Contal71來定?？梢詮牟藛?Main Menu>Preprocessor>Modeli ng> CreateCo

8、n tact Pair) 進入接觸向?qū)?，來建立目標?接觸面的 接觸對”也可以采用其他途徑建立接觸對， 這屬于ANSYS基本操作， 本文不再詳述。接觸對建立完成后進入靜強度求解過程， 主動齒輪為鋼齒輪，傳遞力矩為6N-m， ANSYS計算所得UHMWPE材料齒輪齒根處的應力如圖4所示。從應力云圖中 可以看出：最大應力發(fā)生在 UHMWPE材料齒輪齒根處，節(jié)點號為：2279，應 力值為：。圖4 UHMWPE材料齒輪齒根處應力云圖工程塑料齒輪ANSYS疲勞分析的步驟為：首先進入后處理 P0ST1，恢復數(shù)據(jù) 庫，然后提取齒根最大彎曲應力處的節(jié)點應力并將其儲存， 并確定重復次數(shù)，最 后采用Miner疲勞

9、積累理論計算疲勞壽命并查看結(jié)果。UHMWPE材料齒輪疲勞壽命預測需要的較關(guān)鍵疲勞性質(zhì)是材料的S-N曲線，所研究的UHMWPE材料的S-N曲線如圖5所示。圖5 UHMWPE 材料S-N曲線疲勞分析結(jié)果如圖6所示。可見在文中所設定工作載荷下，該 UHMWPE材料 齒輪輪齒的疲勞壽命為132800次，累計疲勞系數(shù)為。圖6無缺陷UHMwPE材料齒輪疲勞計算結(jié)果齒問存在熔接痕時UHMWPE材料齒輪的疲勞壽命分析UHMWPE材料齒輪注塑工藝復雜。工藝控制不當很容易產(chǎn)生熔接痕等注塑缺 陷。因此，對存在熔接痕缺陷的UHMWPE材料齒輪進行分析，可以確定該缺陷的不同位置對齒輪疲勞破壞的影響程度。 這對工程塑料齒

10、輪的注塑工藝，澆口位 置安排等都有一定的指導意義在利用ANSYS分析存在熔接痕缺陷的工程塑料齒輪時，將熔接痕等效為I型裂紋問題，并采用 KSCON 命(Main Menu>Preprocessor> MeshShape&Size> Concentrat KPs-Create)，使ANSYS自動圍繞熔接痕尖端關(guān)鍵點生成奇異單元， 然后進行分析求解。假設在兩輪齒間存在一條長為的熔接痕，熔接痕位置和尺寸如圖7所示。圖7齒間熔接痕尺寸疲勞分析結(jié)果顯示：在齒間存在較小熔接痕缺陷情況下，UHMWPE材料齒輪輪齒的疲勞壽命為124600次，累計疲勞系數(shù)為。疲勞產(chǎn)生的位置仍未齒根處?？?見，齒間存在較小熔接痕缺陷情況下，缺陷對UHMWPE齒輪疲勞壽命無較大影 響。齒根存在熔接痕時UHMWPE材料齒輪的疲勞壽命分析假設在齒根處存在一條長為9所示。疲勞分析結(jié)果為：疲勞破壞發(fā)生在熔接痕尖端，如圖10所示。齒輪輪齒的疲勞壽 命僅為5631次。可見，在齒根存在較小熔接痕缺陷情況下齒輪很快進人疲勞并 斷裂破壞。圖io疲勞破壞發(fā)生位置5結(jié)論與展望1）采用ANSYS有限元技術(shù)可以計算復雜邊界條件下的疲勞問題，對工程塑料齒輪的疲勞壽命的確定有一定價值。2）通過ANSYS分析得出:所研究的UHMWPE材料齒輪在無缺