塑料齒輪疲勞壽命分析(1)

1、1的疲勞破壞疲勞是一種十分有趣的現(xiàn)象，當(dāng)材料或結(jié)構(gòu)受到多次重復(fù)變化的載荷作用后，應(yīng)力值雖然 始終沒(méi)有超過(guò)材料的強(qiáng)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(fù)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(shí)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(shí)，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(yīng)力 or也由零迅 速增加到某一最大值再減小為零。此過(guò)程隨著齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)也不停的重復(fù)。應(yīng)力 or隨時(shí)問(wèn)t 的變化曲線如圖2所示。圖1齒輪嚙合時(shí)受力情況困間r/s圖 2 齒根應(yīng)力隨時(shí)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

2、作用，工程塑料齒輪就是其中的典型零件。工程塑料齒輪因其質(zhì)量小、自潤(rùn)滑、吸振好、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)在紡織、印染、造紙和食品等傳動(dòng)載荷適中的輕工機(jī)械中應(yīng)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(fù)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(shí)間。2) 當(dāng)靜應(yīng)力小于屈服極限或強(qiáng)度極限時(shí)，不會(huì)發(fā)生靜力破壞；而交變應(yīng)力在遠(yuǎn)小于靜強(qiáng)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(méi)有外在宏觀的顯著塑性變形跡象，事先不易覺(jué)察出來(lái)，這就表明疲勞破壞具有更大的危險(xiǎn)性。工程塑料

3、齒輪的疲勞壽命， 是設(shè)計(jì)人員十分關(guān)注的課題， 也是與實(shí)際生產(chǎn)緊密相關(guān)的問(wèn)題。然而，在疲勞載荷作用下的疲勞壽命計(jì)算十分復(fù)雜。因?yàn)橐?jì)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(kuò)展理論等。本文對(duì)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(guò)利用有限元方法和CA承件對(duì)工程塑料齒輪的疲勞壽命進(jìn)行分析研究有一定工程價(jià)值,2 工程塑料齒輪材料的確定超高分子量聚乙烯（UHMWP國(guó)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(duì)分子質(zhì)量可達(dá)（1-4）X106。隨著相對(duì)分子質(zhì)量的大幅度升高，U

4、HMWPE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(xué)性和消音性等。UHMWPE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(rùn)滑性，不粘附性。因此，本文選用 UHMWPE為工程塑料齒輪材料 進(jìn)行研究。UHMWPE能見(jiàn)表1。由于UHMWPE熱性能較差，所以與其嚙合的齒輪選用鋼材料。這樣導(dǎo)熱性好、摩損小，并能彌補(bǔ)工程塑料齒輪精度不高的缺點(diǎn)。 2 嚙合齒輪均為標(biāo)準(zhǔn)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20mm壓力角取為20°。表 1 超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯性能材料老林

5、沖擊置度，（tg * 旭”）曖水朝1s磨摳期嗎（爹荷9.8 N 周期101）對(duì)銅的 鼻翼因索>1.4(60130.10-0.223 UHMWPE料齒輪疲勞分析模型的建立齒輪在嚙合過(guò)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(qiáng)度最弱。當(dāng)輪齒在齒頂處嚙合時(shí)，處于雙對(duì)齒嚙合區(qū)，此時(shí)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(diǎn)位于單對(duì)齒嚙合區(qū)最高點(diǎn)時(shí)。因此，在建立 UHMWPE料齒輪疲勞分析模型時(shí)，應(yīng)該建立 載荷作用于單對(duì)齒嚙合區(qū)最高點(diǎn)。由機(jī)械原理漸開(kāi)線齒輪連續(xù)傳動(dòng)條件分析方法，可以得出單對(duì)齒輪嚙合最高點(diǎn)

6、。然后利用CAXAC件的齒輪建模功能和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能建立 UHMWPE料齒輪疲勞分析模型如圖3所示圖3 UHMWPE料齒輪疲勞分析模型ANSY獎(jiǎng)以有限元分析為基礎(chǔ)的大型通用 CA承件，是世界上第一個(gè)通過(guò)IS09001認(rèn)可的有限元分析軟件。因此，通過(guò)準(zhǔn)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(shè)定，就能得到可靠性較好的計(jì)算結(jié)果。對(duì)于工程塑料齒輪，由于其材料的力學(xué)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(jī)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(guò)程中其赫茲接觸區(qū)較大，接觸應(yīng)力較小，一般不會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕等表面失效，所以輪齒在彎曲應(yīng)力作用下疲勞斷裂或折斷是塑料

7、齒輪的主要失效形式。因此主要對(duì) 3 種情況下的UHMWPE料齒輪的疲勞壽命進(jìn)行分析。UHMWP材料齒輪無(wú)缺陷情況的疲勞壽命分析在利用ANSY覦行齒輪的疲勞分析前，需要對(duì) 2嚙合齒輪進(jìn)行接觸分析。按照上文所分析的實(shí)際接觸情況，確定 2 齒輪單齒嚙合區(qū)域最高點(diǎn)位置，并定義接觸類(lèi)型為柔體對(duì)柔體的面對(duì)面接觸。取鋼齒輪嚙合面為目標(biāo)面，用單元Targel69來(lái)定義，取UHMWPE料齒輪嚙合面為接觸面,用單元 Contal71 來(lái)定。 可以從菜單(Main Menu>Preprocessor>Modeling> Create> ContactPair）進(jìn)入接觸向?qū)?，?lái)建立目標(biāo)面接觸面

8、的“接觸對(duì)”。也可以采用其他途徑建立接觸對(duì), 這屬于ANSY皴本操作，本文不再詳述。接觸對(duì)建立完成后進(jìn)入靜強(qiáng)度求解過(guò)程，主動(dòng)齒輪為鋼齒輪，傳遞力矩為 6N- mi ANSYSf 算所得UHMWPE料齒輪齒根處的應(yīng)力如圖4所示。從應(yīng)力云圖中可以看出：最大應(yīng)力發(fā)生 在UHMWPE料齒輪齒根處，節(jié)點(diǎn)號(hào)為：2279,應(yīng)力值為：。圖4 UHMW由料齒輪齒根處應(yīng)力云圖工程塑料齒輪ANSY破勞分析的步驟為：首先進(jìn)入后處理 POST1恢復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)，然后提取 齒根最大彎曲應(yīng)力處的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力并將其儲(chǔ)存，并確定重復(fù)次數(shù)，最后采用Miner疲勞積累理論計(jì)算疲勞壽命并查看結(jié)果。UHMWPE料齒輪疲勞壽命預(yù)測(cè)需要的較關(guān)鍵疲勞

9、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Q L-1 I i1/ io* d io* 10T番環(huán)次數(shù)圖5 UHMWPE料S-N曲線疲勞分析結(jié)果如圖6所示?？梢?jiàn)在文中所設(shè)定工作載荷下，該UHMWPE料齒輪輪齒的疲勞 壽命為132800次，累計(jì)疲勞系數(shù)為。圖6無(wú)缺陷UHMwPE料齒輪疲勞計(jì)算結(jié)果齒問(wèn)存在熔接痕時(shí)UHMWPE料齒輪的疲勞壽命分析UHMWPE料齒輪注塑工藝復(fù)雜。工藝控制不當(dāng)很容易產(chǎn)生熔接痕等注塑缺陷。因此，對(duì)存 在熔接痕缺陷的UHMWPE料齒輪進(jìn)行分析，可以確定該缺陷的不同位置對(duì)齒輪疲勞破壞的 影響程度。這對(duì)工程塑料齒輪的注塑工藝，澆口位置安排等都有一定

10、的指導(dǎo)意義。在利用ANSY分析存在熔接痕缺陷的工程塑料齒輪時(shí)，將熔接痕等效為I型裂紋問(wèn)題，并采用 KSCO命(Main Menu>Preprocessor> MeshShape&Size> Concentrat KPs-Create),使ANSYSl動(dòng)圍繞熔接痕尖端關(guān)鍵點(diǎn)生成奇異單元，然后進(jìn)行分析求解。假設(shè)在兩輪齒間存 在一條長(zhǎng)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料齒輪輪齒的疲勞壽命為124600次，累計(jì)疲勞系數(shù)為。疲勞產(chǎn)生的位置仍未齒根處?？梢?jiàn)，齒間存在較小熔接痕 缺陷情況下，缺陷對(duì)UHMWPE輪疲勞壽命無(wú)較大影響。齒根存在熔接痕時(shí)UHMWPE料齒輪的疲勞壽命分析假設(shè)在齒根處存在一條長(zhǎng)為 mm的熔接痕，熔接痕位置和尺寸如圖 9所示。3）當(dāng)熔接痕靠近UHMWPE料齒輪齒根處時(shí)，加載后輪齒很快進(jìn)人疲勞并斷裂，因此需要對(duì)圖9齒根熔接痕尺寸疲勞分析結(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(jiàn)，在齒根存在較小熔接痕缺陷情況下齒輪很快進(jìn)人疲勞并斷裂破壞。圖10疲勞破壞發(fā)生位置5結(jié)論與展望1）采用ANSYST限元技術(shù)可以計(jì)算復(fù)雜邊界條件下的疲勞問(wèn)題，對(duì)工程塑料齒輪的疲勞