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发表于 2007-11-14 11:39:07
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还没说完 通过计算机建模开发接触区:过程详述 4 w% k! M) ~( R" n6 t3 A
! Z/ u' [+ b6 @: ]本节将详细介绍通过计算机建模来设计接触区的过程,以及如何将软件集成于加工机床中。 + s; i1 v" j f* Y8 h
; F6 n/ H" r4 C6 X1 k" W某一特定的TCA分析来自一个用于飞机喷气发动机的上塔或起飞齿轮传动组的分析结果。为便于说明,在考虑锥齿轮各种位移的情况下,我们仅关注设计工作中锥齿轮凹面的加载TCA分析部分。齿轮位移除了因正常工作力矩载荷所引起以外,还来自于热和外力的影响。 5 P% i6 {, U2 F3 z5 K- r6 _( A
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接触区的设计用于满足齿轮组将会遇到的载荷需要和不同的位移。 + b$ W' X# T3 \
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由变化的热和外力以及一个3140in-lbs的力矩载荷引起不同的位移量,其中一些位移相当大,如小齿轮在大齿轮上方移动了0.013",小齿轮向锥心移进了0.029",而大齿轮向外移动了0.026"。 # {# Z5 i' `$ y; n* ?
+ C1 d2 n/ r# |开发目标是设计出一个接触区,使齿轮在正常工作条件下产生不同位移时,接触区仍能具有所需的形状和大小,接触区在运转中不会跑出边缘、落在齿根区或跑出齿顶区。 ) X; E& u# d# E( A2 I
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设计出能满足不同位移需求的接触区后,下一步是进行加载TCA分析。如果这些接触区相互重叠或连接,那么实质上这一结果就是该齿轮组将来在3140in-lbs的力矩下工作时对于所有不同位移的载荷区状态。 ~4 s% K- s5 m" j2 o! S8 s$ C
# J1 B* L& Q* A5 v" O: q除了研究不同的位移对接触区的影响外,还研究了啮合路径上不同啮合位置的压力变化情况。 5 @) Q: V. F6 R5 p" J7 U
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在载荷为3140in-lbs力矩的情况下,从啮合路径的起点到终点各点处的齿面压力大小不同。啮合起点处的压力较小,它是轮齿剪切的结果(由于接触比较高);然后压力逐渐增大,在轮齿中心处压力增大至峰值238000lbs./sq.in.;然后压力逐渐降低,最后在轮齿脱离啮合处降至约84000ibs./sq.in.。 ( o% ]* G5 F0 x2 Y3 K& U
- A+ z4 A4 F3 F压力研究的一个关键目标是要证实在接触区没有硬接触点。如果存在硬点,表面压力就会出现尖峰值,这就明确表明可能存在失效。当该轮齿进入啮合时,尖峰或凸起将会产生非均匀压力,可能导致齿面的点蚀及随之而来的失效。不过在本例中并未出现尖峰压力。压力逐渐增加至轮齿中心,随后以相同速度逐渐降低。这些齿轮在进入和脱离啮合时运动非常平稳。 / C( v' X6 ^; U+ I' [
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这样的研究工作将在所有齿轮位移情况下进行。完成后,设计工作就可进入下一步的有限元分析。
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2 h- J( T5 \ q; ?/ o首先将加载TCA的结果输入T-900有限元分析软件,程序将完成齿面的应力分析。分析后得到的一份载荷分布报告。报告用不同颜色显示了齿面不同区域的载荷分布状况。接触压力最大的区域为红色。当应力减小时,颜色也随之变化,直至基本载荷处的表面压力或应力最小。这些在齿轮轮齿上将能看到。 3 ]2 V) b* F3 X4 w0 W
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然后对齿根圆角处也进行类似研究。同样,不同的颜色表示不同的应力大小。矩形图表明研究报告中齿面上相应的压力和齿根圆角处相应的压力。如果最大值超过所用材料的许可值,则齿轮失效的可能性极大。
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通过有限元分析还可以观察是否存在潜在的凸缘或边缘接触。如前所述,红色表明最大压力区。如果研究表明任何红色区都不在接触区的中心,则失效也可能将发生在这些区域。
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如果有限元分析表明存在问题,则工程师可以返回CAGE软件,根据需要对接触区进行修正,然后再进行第二次有限元分析。 3 V: f: t; q, R' S+ R5 Z
5 V) e2 p0 Y8 G' N7 x4 U5 {TCA和有限元分析一旦完成,就获得了理想的接触区大小和位置,CAGE软件会生成凤凰切齿机和磨齿机加工齿轮所需的机床调整参数。此外,G-AGE软件生成蔡司-赫夫勒公司CNC测量系统(齿轮测量中心)的检测程序。采用该测量系统,可以完成齿面轮廓的电子数字拓扑图,而G-AGE软件能够自动修改机床调整参数,以获得要求的计算机化齿廓形状。通过硬线网络连接,可以下载调整参数和检测文件。在这些开发程序完成后,即可进入生产程序。
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用户受益:开发PTO齿轮装置的实例研究 , b0 g# t, B. T) d( u0 Y9 |. r" ~" M6 {
8 N6 e/ Y$ H$ i用于设计和开发接触区的这种先进方法给用户提供了许多好处,其中最大的好处是大大节约了时间和金钱。用户受益的一个实例就是前面提到的Arrow公司介入的飞机喷气发动机课题,课题详情将在以下的实例研究中予以介绍。 4 r( R3 Z- ^+ `. g( E
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Arrow公司提供了发动机两个位置的齿轮传动装置。第一个锥齿轮组用于上塔轴或起飞动力(PTO);第二个锥齿轮组用于辅助齿轮箱。由于这是一台新发动机,要求Arrow公司完成这些锥齿轮组的所有齿轮轮齿的设计和制造。与所有的喷气发动机齿轮一样,由于齿轮箱有很大的变形自由度,因此对齿轮的设计制造要求苛刻。面临时间短、任务难的双重挑战,Arrow公司采用了上述的先进设计和制造技术来开展项目工作。
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这两个不同的齿轮组生产出来后安装在发动机上,结果令人满意。 |
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