塑料齿轮疲劳寿命分析

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除

1齿轮的疲劳破坏 疲劳是一种十分有趣的现象，当材料或结构受到多次重复变

化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，其至比屈服极限 还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料或结构的破坏 现象就叫做疲劳破坏。如图1所示，F表示齿轮啮合时作用于齿轮上的力。齿 轮每旋转一周，轮齿啮合一次。啮合时，F由零迅速增加到最大值，然后乂减 小为零。因此，齿根处的弯曲应力or也山零迅速增加到某一最大值再减小为 零。此过程随着齿轮的转动也不停的重复。应力or随时间t的变化曲线如图2 所示。

在现代工业中，很多零件和构件都是承受着交变载荷作用，丄程塑料齿轮就是 其中的典型零件。工程塑料齿轮因其质量小、自润滑、吸振好、噪声低等优点 在纺织、印染、造纸和食品等传动载荷适中的轻工机械中应用很广。疲劳破坏 与传统的静力破坏有着许多明显的本质差别：1）静力破坏是一次最大载荷作用 下的破坏；疲劳被坏是多次反复载荷作用下产生的破坏，它不是短期内发生 的，而是要经历一定的时间。2）当静应力小于屈服极限或强度极限时，不会发 生静力破坏；而交变应力在远小于静强度极限，甚至小于屈服极限的情况下， 疲劳破坏就可能发生。

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3)静力破坏通常有明显的塑性变形产生；疲劳破坏通常没有外在宏观的显著塑

性变形迹象，事先不易觉察岀来，这就表明疲劳破坏具有更大的危险性。丄程 塑料齿轮的疲劳寿命，是设计人员十分关注的课题，也是与实际生产紧密相关 的问题。然而，在疲劳载荷作用下的疲劳寿命计算十分复杂。因为要计算疲劳 寿命，必须有精确的载荷谱，材料特性或构件的S-\\曲线，合适的累积损伤理 论，合适的裂纹扩展理论等。本文对丄程塑料齿轮疲劳分析的最终LI的，就是 要确定其在各种质量情况下的疲劳寿命。通过利用有限元方法和CAE软件对工 程塑料齿轮的疲劳寿命进行分析研究有一定工程价值。2工程塑料齿轮材料的 确定 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种综合性能优异的新型热塑性工程塑料， 它的分子结构与普通聚乙烯(PE)完全相同，但相对分子质量可达(1〜

4)X106o 随着相对分子质量的大幅度升高，UHMWPE表现出普通PE所不具备的

优异性 能，如耐磨性、耐冲击性、低摩擦系数、耐化学性和消音性等。

UHMWPE耐磨 性居工程塑料之首，比尼龙66(PA66)高4倍，是碳钢、不锈钢的7—8倍。摩 擦因数仅为0.07〜0.11,具有自润滑性，不粘附性。因此，本文选用UHMWPE 作为工程塑料齿轮材料进行研究。UHMWPE性能见表lo山于UHMWPE导热性能 较差，所以与其啮合的齿轮选用钢材料。这样导热性好、

摩损小，并能弥补工 程塑料齿轮精度不高的缺点。2啮合齿轮均为标准直齿圆柱齿轮，参数为： UHMWPE齿轮齿数30,钢齿轮齿数20,模数lmm,齿宽20mm,压力角取为 20°。

表1超高相对分子质呈聚乙烯性能 磨损量 吸水率作 ｛冢荷9.3N 周期 对钢的 摩據因农 冲击鱼度/ (kg • re') 2

UHMWPE >1-4 <0.01 3 0.10-0.22 3 UHMWPE材料齿轮疲劳分析模型的建立齿轮在啮合过程中，轮齿如同受线载

荷的悬臂梁，齿根所受的弯矩最大，因此齿根处的弯曲疲劳强度最弱。当轮齿 在齿顶处啮合时，处于双对齿啮合区，此时弯矩的力臂虽然最大，但力并不是 最大，因此弯矩并不是最大。根据分析，齿根所受的最大弯矩发生在齿轮啮合 点位于单对齿啮合区最高点时。因此，在建立UHMWPE材料齿轮疲劳分析模型 时，应该建立载荷作用于单对齿啮合区最高点。

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山机械原理渐开线齿轮连续传动条件分析方法，可以得出单对齿轮啮合最高 点。然后利用CAXA软件的齿轮建模功能和数据转换功能建立UHWPE材料齿轮 疲劳分析模型如图3所示。

4利用AXSYS分析UHMWPE材料齿轮疲劳寿命ANSYS是以有限元分析为基础

的 大型通用CAE软件，是世界上第一个通过IS09001认可的有限元分析软件。因 此，通过准确地建立模型、合理的网格划分与载荷施加以及边界条件设定，就 能得到可黑性较好的计算结果。对于工程塑料齿轮，曲于其材料的力学性能、 热性能等都与金属材料有很大区别，其失效形式及失效机理与金属齿轮也有很 大区别。山于塑料齿轮的弹性模量较低，与钢齿轮啮合过程中其赫兹接触区较 大，接触应力较小，一般不会出现点蚀等表面失效，所以轮齿在弯曲应力作用 下疲劳断裂或折断是塑料齿轮的主要失效形式。因此主要对3种情况下的

UHMWPE材料齿轮的疲劳寿命进行分析。4. 1 UHMWPE材料齿轮无缺陷情况的

疲 劳寿命分析 在利用ANSYS进行齿轮的疲劳分析前，需要对2啮合齿轮进行接触 分析。按照上文所分析的实际接触情况，确定2齿轮单齿啮合区域最高点位 置，并定义接触类型为柔体对柔体的面对面接触。取钢齿轮啮合面为LI标面， 用单元Targel69来定义，取UHMWPE材料齿轮啮合面为接触面，用单元

Contal71 来定。可以从菜单(Main Menu> Preprocessor>Modeling> Create> Contact Pair)进入接触向导，来建立LI标面接触面的“接触对”。也可以采用 其他途径

建立接触对，这属于ANSYS基本操作，本文不再详述。接触对建立完 成后进入静强度求解过程，主动齿轮为钢齿轮，传递力矩为6\\・m, AXSYS计算 所得

UHMWPE材料齿轮齿根处的应力如图4所示。从应力云图中可以看出：最大 应

力发生在CHMWPE材料齿轮齿根处，节点号为：2279,应力值为：32. IMPa。

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图4 UHMWPE材料齿轮齿根处应力云图

工程塑料齿轮ANSYS疲劳分析的步骤为：首先进入后处理POST1,恢复数据 库，然后提取齿根最大弯曲应力处的节点应力并将其储存，并确定重复次数， 最后采用Miner疲劳积累理论计算疲劳寿命并查看结果。UHMWPE材料齿轮 疲劳寿命预测需要的较关键疲劳性质是材料的S-N曲线，所研究的UHMWPE 材料的S・N曲线如图5所示。

6050403020JO

io1 io4 io5 ioa io7

循环顾

图5 UHMWPE材料S-N曲线

疲劳分析结果如图6所示。可见在文中所设定工作载荷下，该UHMWPE材料 齿轮轮齿的疲劳寿命为132800次，累计疲劳系数为0.75301。

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图6无缺陷UHMwPE材料齿轮疲劳计算结

果

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4.2齿问存在熔接痕时UHMWPE材料齿轮的疲劳寿命分析UHMWPE材料齿

轮注塑工艺复杂。工艺控制不当很容易产生熔接痕等注塑缺陷。因此，对存在 熔接痕缺陷的UHMWPE材料齿轮进行分析，可以确定该缺陷的不同位置对齿 轮疲劳破坏的影响程度。这对工程塑料齿轮的注塑工艺，浇口位置安排等都有 —定的指导意义。在利用ANSYS分析存在熔接痕缺陷的工程塑料齿轮时，将 熔接痕等效为|型裂纹问题，并采用KSCON命(Main Menu>Preprocessor>

MeshShape&Size> Concentrat KPs-Create),使 ANSYS 自动围绕熔接痕尖端 关键

点生成奇异单元，然后进行分析求解。假设在两轮齿间存在一条长为 1.5mm的熔接痕.熔接痕位置和尺寸如图7所示。

熔接痕位

1!

图7齿间熔接痕尺寸

疲劳分析结果显示：在齿间存在较小熔接痕缺陷情况下，UHMWPE材料齿轮 轮齿的疲劳寿命为124600次，累计疲劳系数为0.80257o疲劳产生的位置仍 未齿根处。可见，齿间存在较小熔接痕缺陷情况下，缺陷对UHMWPE齿轮疲 劳寿命无较大影响。4.3齿根存在熔接痕时UHMWPE材料齿轮的疲劳寿命分 析假设在齿根处存在一条长为1.5 mm的熔接痕，熔接痕位置和尺寸如图9所 示。

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培接痕位置

图9齿根熔接痕尺寸

疲劳分析结果为:疲劳破坏发生在熔接痕尖端，如图10所示。齿轮轮齿的疲劳 寿命仅为5631次。可见，在齿根存在较小熔接痕缺陷情况下齿轮很快进人疲 劳并断裂破坏。

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图10疲劳破坏发生位普

5结论与展望1）采用ANSYS有限元技术可以计算复杂边界条件下的疲劳问

题，对工程塑料齿轮的疲劳寿命的确定有一定价值。2）通过ANSYS分析得出: 所研究的UHMWPE材料齿轮在无缺陷情况下的疲劳寿命远高于齿根存在熔接 痕情况下的寿命。3）当熔接痕靠近UHMWPE材料齿轮齿根处时，加载后轮齿 很快进人疲劳并断裂，因此需要对注塑工艺进行优化，避免在齿轮齿根处出现 熔接痕。4）很多性能优异的工程塑料均可用作为中等载荷的齿轮材料，例如

POM, PA66等，利用有限元方法校核其疲劳寿命会加快设计速度，同时也提 高

了可靠性。（end）

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