直齒圓柱齒輪淬火殘余應(yīng)力分析

張京輝

摘要：直齒圓柱齒輪的使用很廣泛，作為機(jī)械零部件中最重要部件，齒輪的應(yīng)用壽命對(duì)機(jī)械零件的壽命有很深的影響。因此研究齒輪的使用壽命非常重要?；贏BAQUS有限元軟件對(duì)齒輪進(jìn)行淬火殘余應(yīng)力分析。

Abstract： Straight tooth cylindrical gear is widely used， as the most important part of machinery parts ， the service life of gear has a deep impact on the life of machinery parts.So it is very important to study the service life of gear.The quenching residual stress of gear was analyzed based on ABAQUS finite element software.

關(guān)鍵詞：淬火介質(zhì);殘余應(yīng)力;數(shù)值模擬;ABAQUS

Key words： hardening agent;residual stress;numerical simulation;ABAQUS

中圖分類(lèi)號(hào)：TG162.73? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）02-0041-02

0? 引言

20crmnti是低碳鋼，常用來(lái)作為制造汽車(chē)、摩托車(chē)、各種工程機(jī)械的傳動(dòng)齒輪。正常工藝下齒輪需要經(jīng)過(guò)淬火工藝處理增加其性能強(qiáng)度，但由于淬火過(guò)程中工件形狀導(dǎo)致不同部位的冷卻速率不均勻，會(huì)產(chǎn)生淬火殘余應(yīng)力及工件變形問(wèn)題[1-4]。淬火殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致齒輪產(chǎn)生裂紋，甚至減少齒輪使用周期。

1? 有限元模型分析

1.1 幾何模型

分析的齒輪幾何模型如圖1所示。小齒輪齒數(shù)為36，大齒輪齒數(shù)為45，模數(shù)為2，齒寬30mm，壓力角20度。

1.2 約束邊界條件和初始條件定義

齒輪內(nèi)側(cè)受到主軸影響，約束其法向的位移。齒輪側(cè)面約束法向位移。

齒輪進(jìn)行分級(jí)淬火：①油淬：初始條件為齒輪淬火的初始溫度（C860度），載荷為對(duì)流系數(shù)1HF （隨溫度變化而變化），邊界條件為油的溫度（80度），大約時(shí)間600s;②空氣中冷卻：初始條件為齒輪油淬結(jié)束后的溫度，載荷為對(duì)流系數(shù)2HF （空氣中為常數(shù)），邊界條件為空氣的溫度（取25度），大約時(shí)間為1800s[5-7]。

2? 齒輪數(shù)值分析

2.1 溫度結(jié)果分析

淬火過(guò)程中，齒輪內(nèi)側(cè)溫度相比外部溫度較高，這是由于外部與環(huán)境接觸面積較大，因此散熱較快。當(dāng)淬火10s時(shí)，齒輪內(nèi)側(cè)最高溫度仍保持860度初始溫度，而外溫度已降低至約400度。當(dāng)淬火60s時(shí)，最高溫度約為410度。當(dāng)淬火600s時(shí)，最高溫度約為79度。當(dāng)淬火1800s時(shí)，最高溫度約為74.5度，大齒輪比小齒輪的溫度略高。（圖2）

齒輪內(nèi)沿徑向溫度場(chǎng)分布逐漸降低，當(dāng)淬火時(shí)間較短時(shí)，沿徑向的溫度差異越大，當(dāng)淬火時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，沿徑向的溫度差異較小。

2.2 殘余應(yīng)力結(jié)果分析

為了觀察齒輪內(nèi)部沿徑向的應(yīng)力變化，繪制了如圖3所示的應(yīng)力分布曲線(xiàn)。由圖3可知，隨著時(shí)間的增加，齒輪內(nèi)沿徑向的應(yīng)力分布趨勢(shì)會(huì)發(fā)生改變，在600s內(nèi)時(shí)，齒輪外側(cè)應(yīng)力比內(nèi)側(cè)應(yīng)力大，在600s后，這種變化趨勢(shì)正好相反。

為了進(jìn)一步觀察齒輪最大應(yīng)力隨時(shí)間的變化，繪制如圖4所示曲線(xiàn)。由圖4可知，隨著淬火時(shí)間的增加，一開(kāi)始，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力增大，當(dāng)歷時(shí)50s后，應(yīng)力迅速降低，隨即在200s后又迅速增加，在500s后，應(yīng)力逐漸趨于平穩(wěn)。當(dāng)歷時(shí)1800s后，齒輪的最大應(yīng)力約為1.2GPa。

3? 結(jié)論

①淬火溫度沿徑向方向緩慢降低，淬火溫度越低，徑向溫度梯度越大，反之而越小。②齒輪應(yīng)力變化隨時(shí)間變化存在差異，600s內(nèi)，外側(cè)應(yīng)力比內(nèi)側(cè)應(yīng)力大，600s以后反之外比內(nèi)小，主要原因是溫度的變化導(dǎo)致的。③應(yīng)力先增大后降低再升高，后趨向于平穩(wěn)。導(dǎo)致這樣的原因是齒輪在淬火過(guò)程中相的不同變化引起的，因此我們研究殘余應(yīng)力時(shí)必須考慮相變的影響。

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