Расчет на прочность гибкого колеса волновой передачи с применением ANSYS
|
Реферат ................................................................................................................... 3
Введение................................................................................................................. 4
1 Конструкции волновых передач...................................................................... 6
1.1 Виды генератора волн ............................................................................ 7
1.2 Преимущества и недостатки волновой зубчатой передачи................ 9
2 Особенности волнового зацепления ............................................................. 11
3 Графическое построение положения зубьев в ненагруженной передаче 13
4 Расчет зазоров между зубьями в ненагруженной передаче........................ 18
5 Учет перекоса зубьев ...................................................................................... 21
6 Перекос зубьев от закручивания гибкого колеса......................................... 27
7 Профиль зубьев ............................................................................................... 28
7.1 Эвольвентные зубья с узкой впадиной ............................................... 28
7.2 Эвольвентные зубья с широкой впадиной ......................................... 29
8 Геометрический расчет ВЗП.......................................................................... 33
8.1 Подбор гибкого подшипника............................................................... 33
8.2 Окончательный расчет параметров волновой передачи................... 33
8.3 Генератор волн деформаций................................................................ 35
8.4 Выбор материала для гибкого и жесткого колеса волновой передачи
35
8.5 Проверка коэффициента запаса по касательным напряжениям ...... 36
8.6 КПД передачи .................................................................................... 36
8.7 Уточненный проверочный расчет ....................................................... 37
9 Расчет в ANSYS............................................................................................... 38
9.1 Кинематический анализ........................................................................ 39
9.2 Граничные условия и сетка элементов 3D – модели ВЗП ............... 40
9.3 Сетка конечных элементов .................................................................. 41
9.4 Крутящий момент на валу и фиксация гибкого колеса .................... 42
9.5 Определение деформаций ВЗП от момента сопротивления ............ 43
Заключение .......................................................................................................... 49
Список использованных источников ................................................................ 50
Введение................................................................................................................. 4
1 Конструкции волновых передач...................................................................... 6
1.1 Виды генератора волн ............................................................................ 7
1.2 Преимущества и недостатки волновой зубчатой передачи................ 9
2 Особенности волнового зацепления ............................................................. 11
3 Графическое построение положения зубьев в ненагруженной передаче 13
4 Расчет зазоров между зубьями в ненагруженной передаче........................ 18
5 Учет перекоса зубьев ...................................................................................... 21
6 Перекос зубьев от закручивания гибкого колеса......................................... 27
7 Профиль зубьев ............................................................................................... 28
7.1 Эвольвентные зубья с узкой впадиной ............................................... 28
7.2 Эвольвентные зубья с широкой впадиной ......................................... 29
8 Геометрический расчет ВЗП.......................................................................... 33
8.1 Подбор гибкого подшипника............................................................... 33
8.2 Окончательный расчет параметров волновой передачи................... 33
8.3 Генератор волн деформаций................................................................ 35
8.4 Выбор материала для гибкого и жесткого колеса волновой передачи
35
8.5 Проверка коэффициента запаса по касательным напряжениям ...... 36
8.6 КПД передачи .................................................................................... 36
8.7 Уточненный проверочный расчет ....................................................... 37
9 Расчет в ANSYS............................................................................................... 38
9.1 Кинематический анализ........................................................................ 39
9.2 Граничные условия и сетка элементов 3D – модели ВЗП ............... 40
9.3 Сетка конечных элементов .................................................................. 41
9.4 Крутящий момент на валу и фиксация гибкого колеса .................... 42
9.5 Определение деформаций ВЗП от момента сопротивления ............ 43
Заключение .......................................................................................................... 49
Список использованных источников ................................................................ 50
Волновые передачи имею достаточно широкое применение, в таких
областях деятельности человека, как в робототехнике (системы приводов,
узлов автоматизации), машиностроения (в узлах станков, в подъемнотранспортных машинах и механизмов), авиакосмической отрасли, в системах
управления механизацией крыльев летательных аппаратов, в системах
ориентации наземных и орбитальных телескопов, панелей солнечных батарей
космических аппаратов, а также в высокоточном медицинском оборудовании.
Волновая зубчатая передача – механическая передача, содержащая
зацепляющиеся между собой гибкое и жесткое зубчатые колеса, и
обеспечивающая преобразование и передачу движения за счет циклического
возбуждения волн деформации в гибком элементе – гибком колесе.
Основными достоинствами ВЗП считают возможность реализации
большого передаточного числа в одной ступени, способность передавать
высокие нагрузки, высокие массогабаритные характеристики, низкий шум,
плавность при работе, высокие демпфирующие способности, возможность
передачи движения в герметизированное пространство без применения
уплотнений.
Наряду с имеющимися преимуществами, ВЗП имеет и ряд недостатков.
Наиболее существенные из которых: высокое значение нижнего предела
передаточных отношений (~80 при стальных гибких колесах), сложность
изготовления гибкого колеса и генератора волн, требующая специальной
оснастки (это затрудняет единичное производство и ремонтные работы),
сравнительно малую жесткость на начальном участке нагружения
(переменный характер жесткости отнесен к недостаткам условно, т.к. для
некоторых приводов он имеет положительное значение), малая долговечность
гибкого колеса относительно передач с жесткими колесами, при высоких
нагрузках возможность проскакивание зубьев при применении роликовых
генераторов.
Волновые передачи со стальными колесами применяют в основном при
передаточном значение от 80 до 360 (u 80...360). Превышение верхнего
предела передаточного отношения может приводить к проворачиванию
генератора или проскоку зубьев колес (u 360). Нижний предел
передаточного отношения ограничен начальными деформациями и
напряжениями в гибком колесе (u 80 ). Превышение предельных
деформаций приводит к появлению трещин и разрушению гибкого колеса.
На сегодняшний день решение проблем, связанных с деформацией
зубьев под действием внешних нагрузок может осуществляться при помощи усовершенствованных методик расчета, а также применением новых
материалов.
Задачи, связанные с деформацией контакта, напряжением,
распределением нагрузки между зубьями возможно решить при помощи
программного комплекса ANSYS.
Целью работы является определение деформации зубьев гибкого колеса
в нагруженной волновой зубчатой передачи с применением программного
комплекса ANSYS, что позволит выявить появление усталостных трещин во
впадинах зубьев.
Вопросами, связанными с определением деформаций зубьев гибкого
колеса волновой зубчатой передачи, занимались авторы Иванов М.Н.,
Тимофеев Г.А., Люминарский С.Е., Барбашов Н.Н. [1, 2, 13, 14 с. 38-85, 255-
259, 1-10, 21-28.]
Для решения данной цели необходимо решить следующие задачи:
1) рассчитать геометрические параметры волновой зубчатой передачи и
построить 3D – модель;
2) разработать схему нагружения модели и произвести расчет методом
конечных элементов в программном комплексе ANSYS Workbench.
областях деятельности человека, как в робототехнике (системы приводов,
узлов автоматизации), машиностроения (в узлах станков, в подъемнотранспортных машинах и механизмов), авиакосмической отрасли, в системах
управления механизацией крыльев летательных аппаратов, в системах
ориентации наземных и орбитальных телескопов, панелей солнечных батарей
космических аппаратов, а также в высокоточном медицинском оборудовании.
Волновая зубчатая передача – механическая передача, содержащая
зацепляющиеся между собой гибкое и жесткое зубчатые колеса, и
обеспечивающая преобразование и передачу движения за счет циклического
возбуждения волн деформации в гибком элементе – гибком колесе.
Основными достоинствами ВЗП считают возможность реализации
большого передаточного числа в одной ступени, способность передавать
высокие нагрузки, высокие массогабаритные характеристики, низкий шум,
плавность при работе, высокие демпфирующие способности, возможность
передачи движения в герметизированное пространство без применения
уплотнений.
Наряду с имеющимися преимуществами, ВЗП имеет и ряд недостатков.
Наиболее существенные из которых: высокое значение нижнего предела
передаточных отношений (~80 при стальных гибких колесах), сложность
изготовления гибкого колеса и генератора волн, требующая специальной
оснастки (это затрудняет единичное производство и ремонтные работы),
сравнительно малую жесткость на начальном участке нагружения
(переменный характер жесткости отнесен к недостаткам условно, т.к. для
некоторых приводов он имеет положительное значение), малая долговечность
гибкого колеса относительно передач с жесткими колесами, при высоких
нагрузках возможность проскакивание зубьев при применении роликовых
генераторов.
Волновые передачи со стальными колесами применяют в основном при
передаточном значение от 80 до 360 (u 80...360). Превышение верхнего
предела передаточного отношения может приводить к проворачиванию
генератора или проскоку зубьев колес (u 360). Нижний предел
передаточного отношения ограничен начальными деформациями и
напряжениями в гибком колесе (u 80 ). Превышение предельных
деформаций приводит к появлению трещин и разрушению гибкого колеса.
На сегодняшний день решение проблем, связанных с деформацией
зубьев под действием внешних нагрузок может осуществляться при помощи усовершенствованных методик расчета, а также применением новых
материалов.
Задачи, связанные с деформацией контакта, напряжением,
распределением нагрузки между зубьями возможно решить при помощи
программного комплекса ANSYS.
Целью работы является определение деформации зубьев гибкого колеса
в нагруженной волновой зубчатой передачи с применением программного
комплекса ANSYS, что позволит выявить появление усталостных трещин во
впадинах зубьев.
Вопросами, связанными с определением деформаций зубьев гибкого
колеса волновой зубчатой передачи, занимались авторы Иванов М.Н.,
Тимофеев Г.А., Люминарский С.Е., Барбашов Н.Н. [1, 2, 13, 14 с. 38-85, 255-
259, 1-10, 21-28.]
Для решения данной цели необходимо решить следующие задачи:
1) рассчитать геометрические параметры волновой зубчатой передачи и
построить 3D – модель;
2) разработать схему нагружения модели и произвести расчет методом
конечных элементов в программном комплексе ANSYS Workbench.
Построена 3D–модель волновой зубчатой передачи по расчетным
данным, полученным в ходе инженерного расчета.
2. Разработали схему нагружения модели и произвели расчет методом
конечных элементов в программном комплексе ANSYS Workbench, который
показал нам, что:
1) в ненагруженной волновой зубчатой передаче в зацеплении находится не
более 5 % пар зубьев гибкого и жесткого колеса, а в нагруженной в
зависимости от величины нагрузки до 30%.
2) контакт зубьев гибкого и жесткого колеса в нагруженной передаче
проходит не равномерно по поверхности, в радиальном направлении (по
длинной оси овала), в следствии деформаций генератором волн гибкого
колеса, а также углом в следствии закручивания оболочки или самого гибкого
колеса, что даёт наклон зуба во впадине (рис. 37). Таким образом, зуб гибкого
колеса контактирует сразу двумя своими поверхностями с двумя соседними
зубьями (рис. 44). В следствии перекоса больше нагружается часть зуба,
находящаяся ближе к краю гибкого колеса, что приводит к поломке зуба. В
осевом направлении зуб гибкого колеса располагается по диагонали впадины
жесткого колеса в осевом (радиальном направлении) (рис. 37, 38).
Смещение зубьев в окружном направлении в следствии воздействия
момента полезного сопротивления приводит к закручиванию оболочки на
некоторый угол. Поскольку зубья располагаются на цилиндрической
поверхности оболочки, то зубья дополнительно поворачивается на тот же угол
(рис. 43). Таким образом под действием вращающего момента и сил
деформаций гибкое колесо (под действием генератора волн) искажает картину
зацепления в сравнение с обычными цилиндрическими зубчатыми
передачами.
Все это приводит к искажению картины зацепления (неравномерности
зацепления как по длине, так и по высоте зуба). Окружные силы приводят к
тому, что зуб от действия крутящего момента наклоняется во впадине
(рис. 16, г).
3) максимальная деформация зубьев составляет 0,0022365 мм, что для
мелкомодульных колес является существенным и данная зона венца колеса
является как раз опасной зоной для появления усталостных трещин во
впадинах зубьев (рис. 37,39,40).
данным, полученным в ходе инженерного расчета.
2. Разработали схему нагружения модели и произвели расчет методом
конечных элементов в программном комплексе ANSYS Workbench, который
показал нам, что:
1) в ненагруженной волновой зубчатой передаче в зацеплении находится не
более 5 % пар зубьев гибкого и жесткого колеса, а в нагруженной в
зависимости от величины нагрузки до 30%.
2) контакт зубьев гибкого и жесткого колеса в нагруженной передаче
проходит не равномерно по поверхности, в радиальном направлении (по
длинной оси овала), в следствии деформаций генератором волн гибкого
колеса, а также углом в следствии закручивания оболочки или самого гибкого
колеса, что даёт наклон зуба во впадине (рис. 37). Таким образом, зуб гибкого
колеса контактирует сразу двумя своими поверхностями с двумя соседними
зубьями (рис. 44). В следствии перекоса больше нагружается часть зуба,
находящаяся ближе к краю гибкого колеса, что приводит к поломке зуба. В
осевом направлении зуб гибкого колеса располагается по диагонали впадины
жесткого колеса в осевом (радиальном направлении) (рис. 37, 38).
Смещение зубьев в окружном направлении в следствии воздействия
момента полезного сопротивления приводит к закручиванию оболочки на
некоторый угол. Поскольку зубья располагаются на цилиндрической
поверхности оболочки, то зубья дополнительно поворачивается на тот же угол
(рис. 43). Таким образом под действием вращающего момента и сил
деформаций гибкое колесо (под действием генератора волн) искажает картину
зацепления в сравнение с обычными цилиндрическими зубчатыми
передачами.
Все это приводит к искажению картины зацепления (неравномерности
зацепления как по длине, так и по высоте зуба). Окружные силы приводят к
тому, что зуб от действия крутящего момента наклоняется во впадине
(рис. 16, г).
3) максимальная деформация зубьев составляет 0,0022365 мм, что для
мелкомодульных колес является существенным и данная зона венца колеса
является как раз опасной зоной для появления усталостных трещин во
впадинах зубьев (рис. 37,39,40).