1、1齒輪的疲勞破壞疲勞是一種十分有趣的現象，當材料或結構受到多次重復變化的載荷作用后， 應力值雖然始 終沒有超過材料的強度極限，甚至比屈服極限還低的情況下就可能發生破壞， 這種在交變載 荷重復作用下材料或結構的破壞現象就叫做疲勞破壞。如圖1所示，F表示齒輪嚙合時作用于齒輪上的力。齒輪每旋轉一周，輪齒嚙合一次。嚙合 時，F由零迅速增加到最大值，然后又減小為零。因此，齒根處的彎曲應力or也由零迅速增加到某一最大值再減小為零。此過程隨著齒輪的轉動也不停的重復。應力or隨時間t的變化曲線如圖2所示。時閶t/s圖2齒根應力隨時間變化曲線在現代工業中，很多零件和構件都是承受著交變載荷作用，工程塑料齒輪就是其

2、中的典型零件。工程塑料齒輪因其質量小、自潤滑、吸振好、噪聲低等優點在紡織、印染、造紙和食品 等傳動載荷適中的輕工機械中應用很廣。疲勞破壞與傳統的靜力破壞有著許多明顯的本質差別: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載荷作用下產生的破壞， 它 不是短期內發生的，而是要經歷一定的時間。2) 當靜應力小于屈服極限或強度極限時， 不會發生靜力破壞； 而交變應力在遠小于靜強度極 限，甚至小于屈服極限的情況下，疲勞破壞就可能發生。3) 靜力破壞通常有明顯的塑性變形產生；疲勞破壞通常沒有外在宏觀的顯著塑性變形跡象， 事先不易覺察出來，這就表明疲勞破壞具有更大的危險性。工程塑料齒輪的疲

3、勞壽命，是設計人員十分關注的課題，也是與實際生產緊密相關的問題。 然而， 在疲勞載荷作用下的疲勞壽命計算十分復雜。因為要計算疲勞壽命， 必須有精確的載荷譜，材料特性或構件的 S-N 曲線，合適的累積損傷理論，合適的裂紋擴展理論等。本文 對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量情況下的疲勞壽命。 通過利 用有限元方法和 CAE 軟件對工程塑料齒輪的疲勞壽命進行分析研究有一定工程價值。2 工程塑料齒輪材料的確定超高分子量聚乙烯 (UHMWPE) 是一種綜合性能優異的新型熱塑性工程塑料，它的分子結構 與普通聚乙烯(PE)完全相同，但相對分子質量可達(14) X106。隨著相對分子質

4、量的大幅度 升高， UHMWPE 表現出普通 PE 所不具備的優異性能， 如耐磨性、 耐沖擊性、 低摩擦系數、 耐化學性和消音性等。UHMWPE 耐磨性居工程塑料之首，比尼龍 66(PA66) 高 4 倍，是碳鋼、不銹鋼的 7 8 倍。 摩擦因數僅為 0.07 0.11 ，具有自潤滑性，不粘附性。因此，本文選用 UHMWPE 作為工 程塑料齒輪材料進行研究。 UHMWPE 性能見表 1 。由于 UHMWPE 導熱性能較差，所以與其嚙合的齒輪選用鋼材料。這樣導熱性好、摩損小， 并能彌補工程塑料齒輪精度不高的缺點。 2 嚙合齒輪均為標準直齒圓柱齒輪，參數為：UHMWPE齒輪齒數30,鋼齒輪齒數 2

5、0,模數4mm，齒寬20mm，壓力角取為20表1超高相對分子質量聚乙烯性能材吸水車對鋼的 摩擦因畫UHMm1.4Modeling Create Con tact Pair)進入接觸向導，來建立目標面接觸面的接觸對”。也可以采用其他途徑建立接觸對，這屬于 ANSYS基本操作，本文不再詳述。接觸對建立完成后進入靜強度求解過程，主動齒輪為鋼齒輪，傳遞力矩為6N-m , ANSYS計算所得UHMWPE材料齒輪齒根處的應力如圖4所示。從應力云圖中可以看出：最大應力發生在UHMWPE材料齒輪齒根處，節點號為：2279，應力值為：32.1MPa。圖4 UHMWPE材料齒輪齒根處應力云圖工程塑料齒輪 ANSY

6、S疲勞分析的步驟為：首先進入后處理POST1 ,恢復數據庫，然后提取齒根最大彎曲應力處的節點應力并將其儲存，并確定重復次數，最后采用Miner疲勞積累理論計算疲勞壽命并查看結果。S-N曲線，所研究的UHMWPE材料齒輪疲勞壽命預測需要的較關鍵疲勞性質是材料的UHMWPE材料的S-N曲線如圖5所示。6050403020101D11010*10T帝環次敷圖5 UHMWPE 材料S-N曲線疲勞分析結果如圖6所示。可見在文中所設定工作載荷下，該UHMWPE材料齒輪輪齒的疲勞壽命為132800次，累計疲勞系數為 0.75301。racii itria taijvui in wX1H A i -mW?fW

7、圖6無缺陷UHMwPE材料齒輪疲勞計算結果4.2齒問存在熔接痕時 UHMWPE材料齒輪的疲勞壽命分析UHMWPE材料齒輪注塑工藝復雜。工藝控制不當很容易產生熔接痕等注塑缺陷。因此，對 存在熔接痕缺陷的 UHMWPE材料齒輪進行分析，可以確定該缺陷的不同位置對齒輪疲勞 破壞的影響程度。這對工程塑料齒輪的注塑工藝，澆口位置安排等都有一定的指導意義。在利用ANSYS分析存在熔接痕缺陷的工程塑料齒輪時，將熔接痕等效為I型裂紋問題，并采用 KSCON 命(Main MenuPreprocessor MeshShape&Size Concentrat KPs-Create)使ANSYS自動圍繞熔接痕尖端關

8、鍵點生成奇異單元，然后進行分析求解。 假設在兩輪齒間存在一條長為1.5mm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果顯示：在齒間存在較小熔接痕缺陷情況下，UHMWPE材料齒輪輪齒的疲勞壽命為124600次，累計疲勞系數為 0.80257。疲勞產生的位置仍未齒根處。可見，齒間存在 較小熔接痕缺陷情況下，缺陷對UHMWPE齒輪疲勞壽命無較大影響。4.3齒根存在熔接痕時 UHMWPE材料齒輪的疲勞壽命分析假設在齒根處存在一條長為 1.5 mm的熔接痕，熔接痕位置和尺寸如圖9所示。圖9齒根熔接痕尺寸疲勞分析結果為：疲勞破壞發生在熔接痕尖端，如圖10所示。齒輪輪齒的疲勞壽命僅為 5631次。可見，在齒根存在較小熔接痕缺陷情況下齒輪很快進人疲勞并斷裂破壞。圖10疲勞破壞發生位置5結論與展望1）采用ANSYS有限元技術可以計算復雜邊界條件下的疲勞問題，對工程塑料齒輪的疲勞壽命的確定有一定價值。2）通過ANSYS分析得出：所研究的UHMWPE材料齒輪在無缺陷情況下的疲勞壽命遠高于 齒根存在熔接痕情況下的壽命。3）當熔接痕靠近UH