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复合材料齿轮的接触和弯曲应力分析

刘峰峰 王旭鹏 刘舒伟 张卫亮 唐欣尧 薛藤元

刘峰峰, 王旭鹏, 刘舒伟, 张卫亮, 唐欣尧, 薛藤元. 复合材料齿轮的接触和弯曲应力分析[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(5): 681-687. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220035
引用本文: 刘峰峰, 王旭鹏, 刘舒伟, 张卫亮, 唐欣尧, 薛藤元. 复合材料齿轮的接触和弯曲应力分析[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(5): 681-687. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220035
LIU Fengfeng, WANG Xupeng, LIU Shuwei, ZHANG Weiliang, TANG Xinyao, XUE Tengyuan. Contact and Bending Stress Analysis of Composite Gear[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(5): 681-687. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220035
Citation: LIU Fengfeng, WANG Xupeng, LIU Shuwei, ZHANG Weiliang, TANG Xinyao, XUE Tengyuan. Contact and Bending Stress Analysis of Composite Gear[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(5): 681-687. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220035

复合材料齿轮的接触和弯曲应力分析

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220035
基金项目: 

装备预研共用技术和领域基金项目 106-418321001

陕西省教育厅自然专项基金项目 17JK0551

陕西省青年杰出人才支持计划配套基金项目 106-451420001

详细信息
    作者简介:

    刘峰峰(1997-), 硕士研究生, 研究方向为设计创新与仿真分析, 15691756190@163.com

    通讯作者:

    王旭鹏, 教授, 博士生导师, wangxupeng@xaut.edu.cn

  • 中图分类号: TH132.41

Contact and Bending Stress Analysis of Composite Gear

  • 摘要: 为了研究复合材料齿轮啮合过程的力学特性, 提出了一种三维五向编织复合材料齿轮参数化设计方法, 在考虑编织角、纤维束截面形状的基础上, 采用有限元方法分析了复合材料单胞在细观尺度下的力学特性, 并与试验测试结果进行了对比验证; 在此基础上, 基于均质化思想建立了复合材料与齿轮力学性能间的联系, 进而构建了复合材料齿轮啮合有限元模型, 并进行啮合过程仿真分析, 获得了齿面接触应力、齿根弯曲应力、接触与弯曲疲劳危险点, 以及加载条件与接触应力、弯曲应力的匹配关系, 分析结果符合赫兹接触规律, 为碳纤维三维编织复合材料及齿轮性能分析提供了理论支撑。
  • 图  1  内胞拓扑结构模型

    图  2  纱线截面形状

    图  3  45°编织角单胞模型

    图  4  单胞周期性网格模型

    图  5  不同载荷下有限元模型的应力结果

    图  6  三维五向编织复合材料齿轮制备流程

    图  7  六齿齿轮网格模型

    图  8  耦合约束及接触面设定

    图  9  关键啮合时刻Mises应力云图

    图  10  100 Nm转矩下轮齿啮合最大接触应力变化曲线

    图  11  边缘接触位置应力集中

    图  12  接触疲劳危险点处接触应力

    图  13  转矩与接触应力变化曲线

    图  14  齿轮啮合过程最大弯曲应力变化曲线

    图  15  主动轮最大弯曲应力

    图  16  从动轮最大弯曲应力

    图  17  转矩与弯曲应力变化曲线

    表  1  组分材料属性

    组分材料属性 T300 PEEK
    Ef1/GPa 220 -
    Ef2/GPa 13.8 -
    Em/GPa - 3.55
    Gf12/GPa 9 -
    Gf23/GPa 4.8 -
    Gm/GPa - 1.27
    v12 0.2 -
    vm - 0.4
    Vf 0.5 0.5
    ρ/(g·cm-3) 1.76 1.32
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    表  2  45°编织角三维五向复合材料弹性常数预测结果

    弹性常数 试验值 预测值
    E1/GPa 53.00 53.94
    E2/GPa - 9.68
    E3/GPa - 9.68
    G12/GPa - 11.89
    G13/GPa - 11.89
    G23/GPa - 7.18
    v12 - 0.50
    v13 - 0.50
    v23 - 0.57
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    表  3  算例齿轮基本参数

    参数 主动轮 从动轮
    齿数z 20 20
    模数m/mm 5 5
    标准压力角α/(°) 20 20
    分度圆直径d/mm 100 100
    齿顶圆直径da/mm 110 110
    齿根圆直径df/mm 87.5 87.5
    齿宽b/mm 20 20
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  • 收稿日期:  2021-05-29
  • 刊出日期:  2022-05-01

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