目录 第一章
绪
论 ..................................................................................................... -
2
-
1.1 齿轮的淬火处理................................................................................... - 2 -
1.2 有限元方法............................................................................................ - 2 -
1.3 齿轮有限元仿真的现状........................................................................ - 2 -
1.4 课题意义............................................................................................... - 3 -
1.5 研究内容............................................................................................... - 3 -
第二章
圆柱齿轮的几何特征和模型建立 ...................................................... -
4
-
2.1
圆柱齿轮的几何特征......................................................................... - 4 -
2.2 圆柱齿轮的三维模型建立................................................................... - 5 -
第三章
圆柱齿轮渗碳淬火过程热力学模型 .................................................. -
5
-
3.1 相关材料热力学参数........................................................................... - 6 -
3.1.1 热学性能参数................................................................................................ - 6 -
3.1.2 力学性能参数............................................................................................... - 6 -
3.2 建立齿轮模型....................................................................................... - 6 -
3.3 淬火仿真方案及其相关参数........................................................................... - 7 -
第四章
圆柱齿轮淬火过程的计算机仿真 ...................................................... -
8
-
4.1
温度场分布的仿真 ...................................................................................... -
8
-
4.1.1 瞬态传热的数学模型................................................................................... - 8 -
4.1.2 齿轮淬火温度场的仿真............................................................................... - 8 -
4.1.3 温度场仿真................................................................................................... - 9 -
4.2 淬火应力分布的仿真..................................................................................... - 11 -
第五章
结论 .................................................................................................... -
12
-
5.1 结论................................................................................................................. - 12 -
参考文献 ............................................................................................................ -
13
-
精选文库 - - 2 - 第一章
绪 论 1.1 齿轮的淬火处理
齿轮传动是机器中最常见的一种机械传动，是传递机器动力和运动的一种主要形式，是各种机械产品的重要基础零部件。它与带、链、摩擦、液压等机械传动相比，具有功率范围大、传动效率高、圆周速度高、传动比准确、使用寿命长、结构尺寸小等一系列特点。因此，它已成为许多机械产品不可缺少的传动部件也是机器中所占比重最大的传动形式。齿轮的设计与制造水平将直接影响到机械产品的性能和质量。由于齿轮在工业发展中的突出地位，致使齿轮被公认为工业化的一种象征。
随着我国国民经济的快速发展，作为国家基础产业的机械设备也相应朝着大型化方向发展。作为机械设备的重要元件—齿轮传动装置的传递功率也越来越大，产品规格尺寸也越来越大。为了满足机械设备传递动力的需要，同时减少齿轮传动的结构尺寸和重量、提高齿轮的承载能力以及克服热处理技术和加工机床带来的限制，最大化提升齿轮装置的综合性能指标，要求应用于机械中的齿轮等机械零部件具有高强度、高可靠性。因此，为提高机械零部件的材料强度，大多数采用各种热处理及表面处理等方法。目前，常常是通过淬火实施表面硬化处理，以取代传统的齿轮调质处理。
2 1.2 有限元方法
ANSYS是一个功能十分强大的有限元分析软件，不仅适用于常规工程问题的静态或动态有限元分析，还能在诸如流体力学、热力学、温度场、电磁场等方面进行有限元计算。
ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算物体内部各点的温度、并导出其它热物理参数。运用ANSYS软件可以进行热传导、热对流、热辐射、相变、热应力及接触热阻等热问题的分析求解。
ANSYS不仅能解决纯粹的热分析问题，还能解决与热相关的其它诸多问题，如热--应力分析、热--电分析、热--磁分析等。一般称这类涉及两个或多个物理场相互作用的问题为耦合场分析。ANSYS提供了两种分析耦合场的方法：直接耦合法和间接耦合法。
3 1.3 齿轮有限元仿真的 现状
传统的齿轮淬火都是利用表面硬化处理，或进行钢的调质处理，其分析过程大都是通过实际测量，或经验进行对结果的处理和对比，并没有成熟的理论和数据分析说明，存在很大的偶然性，而且由于实验条件的不稳定性，结果有时会出
精选文库 - - 3 - 现很大的偏差，所以必须通过大量的实验，才能得出相对稳定的结果，耗时又耗力。从有限元仿真分析的理论建立开始，经过很短的时间，便被各领域进行了参数化分析和改进，目前，有限元分析仿真已经发展成为了一套成熟的理论，应用到机械、建筑、电子等各个领域中，取得了很好的研究成果。
目前，在国外，通过对齿轮进行有限元仿真分析来获得齿轮进行热处理时的各项参数和数据，已成为一种主流的求解参数的方法，特别是针对 ANSYS 分析软件，不仅可以得到详细的数据和参数，而且可以看到清晰的仿真过程，便于我们 对整个过程进行分析控制，所以在国外普及化程度很高；在国内，在齿轮加工过程中，大都依然沿用传统的制作工艺，又加上对 ANSYS 软件的接触较晚，普及率相对较低，总体上还在一种学习的过程中，相信随着国内外技术的交流和进步，齿轮有限元分析会很快运用到国内的生产技术中，取得很大的发展。
1.4 课题意义
采用齿面硬化处理制成硬齿面齿轮，是提高齿轮强度及承载能力的有效途径，也是齿轮传动的主要发展趋势，目前大多数齿轮制造业发达国家已普遍采用了硬齿面齿轮。在实现硬齿面的各种热处理工艺（渗碳淬火、氮化、表面淬火等）中，渗碳淬火工艺虽然比较复杂，但在传递相同功率（扭矩）的情况下，齿轮的减速器体积最小、重量最轻，整机价格最低，是生产应用中最主要的工艺方法。为得到硬齿面齿轮，各国至今仍然采用机械加工（或塑性成形）--渗碳--热处理的传统工艺存在如下问题：
齿轮表面渗碳层厚度不一致，不利于齿轮综合性能的提高。渗碳处理是在齿轮切削或塑性成形后进行，由于没有确立渗碳层控制技术，齿根与齿面在同一渗碳氛围中进行渗碳处理，齿面、齿顶及齿根的渗碳层浓度、梯度、厚度大致相同。然而由于齿面与齿根的工作特性不同，要求齿面渗厚、齿根渗碳层薄。为了保证齿面的耐磨性，使含碳量达到或超过0.18%。渗碳层深度与模数之比0.12~0.125，而有效硬化层与齿轮模数之比为0.1时，齿曲疲劳强度最高；因此为了保证齿根弯曲强度，则渗碳层的含碳量和渗碳层深度就满足齿面接触疲劳强度的要求。在实际生产中，很难二者兼顾，达到理想状态。为了防止轮齿硬化层的剥落，有效硬化层深度应不小于最大剪应力深度的1.5倍。
1.5 研究内容
1）选择汽车圆柱齿轮为研究对象，获取其工艺尺寸参数，为建立数学模型提供参考； 2）根据其尺寸参数，利用SolidWorks软件进行三维建模，再把模型导入ANSYS软件中，建立热力学参考模型；
精选文库 - - 4 - 3）查阅必要的资料，获取齿轮材质20CrNi2MoA在20～1000℃的热、力学参数，为后继的热、力学分析提供依据； 4) 对圆柱齿轮实体在淬火过程中的模型进行计算机仿真,简要地对大模数圆柱齿轮淬火变形进行分析。
第二章
圆柱齿轮的几何特征和模型建立 2.1
圆柱齿轮的几何特征
本课题选用齿轮的几何特性如下:
图2 2- -1 1 圆柱齿轮示意图
表 表 2 2- -1 1 ：圆柱齿轮参数及技术要求
技术要求 1，齿面淬火处理，有效硬化层深度 5-5.6mm；齿面硬度 HRC57-64；齿心硬度 HRC35-40； 2，机械性能b 1080Mpa；s ≥785Mpa；δ s ≥8%； ≥35%；A X ≥47J／cm2 ；
精选文库 - - 5 - 3，淬火后对齿部进行喷丸处理； 4，进行探伤检查，齿部进行磁粉探伤，不允许存在线性磁痕显示，整体进行超声波探伤，内部不允许有白点、裂痕，同时内部质量应符合 GB／T5000.15-1988 标准规定的Ⅲ级要求； 2.2 圆柱齿轮的三维模型建立
首先，根据齿轮的各项数据和参数，利用 SolidWorks 软件对齿轮进行三维模型的建造，图 2-2 即为该齿轮的三维模型。
图 图 2 2- - 2 用 用 SolidWos rks 创建的齿轮三维模型图
由于齿轮各轮齿参数相同，热处理的边界条件相同，生产中对大模数齿轮一般采用逐步淬火的方法，即对齿轮单齿进行逐一淬火，为了能够准确和方便地建立几何模型，可选取齿轮的 1/54 部分，即单齿进行模型建立，这样可以简化计算模型，节省内存空间，提高仿真速度，其仿真结果与实际完整齿轮基本一致。图 2-3 即为用 SolidWorks 创建的单齿的三维模型。
图 图 2 2- - 3 用 用 s SolidWorks 建立的齿单齿的三维模型
生成模型后，将当前模型另存为*.x_t 格式，留作之后导入 ANSYS 软件。
第三章
圆 柱齿轮渗碳淬火过程热力学模型
20CrNi2MoA低碳合金钢是大模数齿轮首选的渗碳钢之一，长期以来具有稳
精选文库 - - 6 - 定的化学成分、成熟的冶炼工艺过程。其热力学性能参数已作为标准列入国家渗碳钢材料手册。
3.1 相关材料热力学参数
1 3.1.1 热学性能参数
圆柱齿轮材料选用 20CrNi2MoA，当利用 ANSYS 软件对其淬火过程进行温度场仿真时，需要提供材料密度、比热容、热传导率等参数，其对应的参数数值如表 3-1【8】：
表 表 3 3- -A 1 20CrNi2MoA 热学性能参数
密度 （Kg/m3 ）
20℃ 7850 比 热 容 C p【J/(Kg K)】
460 温度 t(℃) 0 100 200 400 600 800 1000 热传导率 【W／（m K）】
14.7 16.6 18 20.8 23.5 26.3 28.2 3.1.2 力学性能参数
同样的，当利用 ANSYS 软件对齿轮的淬火过程进行应力场仿真时，也需要提供在不同温度下的弹性模量、屈服强度、切变模量、泊松比、线膨胀系数等力学性能参数，见表 3-2：
表 表 3 3- -A 2 20CrNi2MoA 力学性能参数
温度 t (℃) 弹性模量 E （Pa）
屈服强度
（Pa）
切变模量 G （Pa）
泊松比 线膨胀系数 1／℃ 20 1.93e11 0.2e9 1.93e10 0.29 1.78e-5 500 1.5e11 0.933e9 1.5e10 1000 0.7e11 0.435e9 0.7e10 1500 0.1e11 0.07e9 0.1e10 2000 0.01e11 0.007e9 0.01e10
3.2 建立齿轮模型
利用 ANSYS 建立分析模型最常用的方法有两种：一种是利用 ANSYS 的绘图功能，生成分析模型，再进行仿真模拟；另外一种，就是利用 ANSYS 与其它三维绘
精选文库 - - 7 - 图软件，如 AutoCAD，SolidWorks，Pro/E 等强大的数据传输能力，本课题就是利用 SolidWorks 软件进行建模，然后导入 ANSYS 软件中，具体步骤为：运行 ANSYS软件，【File】→【Import】→【PARA】,弹出窗口中查找到之前保存的*.x_t 文件,选中，【OK】，导入完成，现在看到的是线框，接着【Ploctrls】→【Style】→【Solid Model Facets】,下拉框中选择【Normal Faceting】→【OK】,接着鼠标右键，选择【Replot】即可看到实体，如图 3-1：
图 图 3 3- -S 1
ANSYS 建模分析图
3.3 淬火仿真方案及其相关参数
依赖有限元方法可以仿真淬火齿轮内部温度变化过程，这样可以得到齿轮内部的仿真温度场，然后计算、仿真齿轮的淬火变形情况。但是，首先需要确定初始的温度边界条件和对流换热系数。
齿轮齿面在油性介质中淬火，其介质主要在上下深度方向流动（既齿宽方向），其流速一般取0.7-1.5m/s的中间值，将粗车齿轮放入电热炉中加热到780-820℃，接着通过行车将工件立即置入室温淬火油井中，冷却2小时后取出，根据长期经验数据取淬火油平均温度30℃。
数据：淬火油为AN32淬火油，使用温度为30℃，淬火前齿轮加热温度800℃；AN32淬火油：黏度m =32X10-6 （Pa·s）,热导率m =0.1276W（m·K）,密度mc =882.5㎏／m3 。
我们根据研究需要将淬火分为2个阶段：淬火变形期和淬火冷却期。本文使用经典传热理论进行相似计算获得淬火变形期不同阶段（我们根据研究需要取0-15秒）的平均对流换热系数红h l ,随着淬火冷却的进行,齿轮和淬火油温差的减少, h l 开始衰减【12】
。齿轮的变形主要发生在淬火变形期,这期间齿轮和淬火油温差最大,对流剧烈(且可能存在相变时，流体吸收或放出汽化潜热，其局部对流换热系数有可能大于h l )，因此齿轮内部将产生较大的内应力，导致齿轮的不规律
精选文库 - - 8 - 的变形。我们把有限元方法引入齿轮淬火的应力应变分析中，结合最优化方法中的试探法，逐步掌握齿轮淬火变形趋势，为生产加工提供数据参考和改良依据。
第四章
圆柱齿轮淬 火过程的计算机仿真 4.1 温度场分布的仿真
4.1.1 瞬态传热的数学模型
当齿轮淬火时，会发生组织转变（奥氏体可能分解为铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体）同时释放潜热，虽然释放潜热不像熔化或凝固时潜热那么大，但也是不可忽略的因素，潜热释放将使得整个仿真过程波动和非线性变化，为研究带来难度。根据Fourier定律，运用能量守恒原则，对于物体温度随时间而变（非稳态问题）
4.1.2 齿轮 淬火 温度 场 的仿 真
ANSYS能够很好地完成瞬态热分析，瞬态传热分析计算一个系统地随时间变化的温度场及其他热参数，在工程上一般用其计算温度场并作为热载荷进行应力分析。瞬态传热分析中的载荷是随时间变化的，必须将载荷-时间曲线分为载荷步，载荷-时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步，如图所示对于每个载荷步，必须定义载荷值及时问值，同时必须选择载荷步为简便或阶越。ANSYS瞬态热分析基本步骤包括构建模型、施加载荷、求解与后处理。步骤1 建模的基本流程如图4-1
图4 4- - 1
ANSYS 建模流程图
图4 4- - 2
热力学模型的网格划分图
根据以上步骤，设置工件名为chilundanchi，定义材料密度3/ 7820 m Kg ,比热 K Kg J Cp / 460 ，热传导率取800℃时， K m W / 3 . 26 ，为得到较精确的仿真结果，划分网格密度为2，经以上步骤，得出模型的网格划分图如图
精选文库 - - 9 - 4-2
步骤2 载荷求解的基本流程：
图4 4- - 3
ANSYS 仿真载荷求解流程图
根据步骤，定义分析类型为模型三维实体的温度场仿真，设置初始温度为800℃，淬火介质温度为30℃，载荷设置为30秒，每载荷步为1秒。
步骤3 后处理的基本流程：
图4 4- - 4
ANSYS 仿真数据后处理流程图
由于齿轮渗碳后淬火的特殊性，整个瞬态过程的不稳定结果，使得我们无法给出确切的即时温度场，所有的仿真都是对可能持续时间的估计和推断，也就是说，我们只能仿真出淬火温度场出现的趋势和范围，而无法给出某点的即时温度。
通常淬火是为了强化齿面硬度、增加耐磨性，同时增加齿轮内部应力，产生应变。淬火增效强化的时间通常在开始淬火的几十秒内，但由于淬火冷却的实际情况比较复杂，淬火增效强化的时间范围难以把握，为了研究需要，我们选取0～5秒、0～10秒、0～15秒为可能出现的淬火增效强化范围，逐一进行温度场仿真。淬火增效进行之后的温度场变化对齿轮齿面性能影响较小，产生的内应力及应变小于前者，基本上属于典型的热胀冷缩类型，故不作为研究对象。以下仅列出0～5秒，0～10秒和0～15秒的温度场、应力场仿真分析。
4.1.3 温度场仿真
齿廓和内圈边界受淬火油作用，从被加热的780～820℃骤冷至与淬火油边界的平衡温度（不等于平均温度），考虑到液体流动速度，冷却时间和平衡温度需
精选文库 - - 10 - 要根据计算过程设定，轮齿两侧结合边界属于对称边界。这样即可建立相应的温度场计算模型，通过2～3次迭代计算，求出轮齿与淬火油边界的平衡温度，然后进行最后的温度场计算。图4-5、4-6、4-7分别为圆柱齿轮5秒,10秒和15秒淬火温度场。随着时间延长，冷却层深入轮齿内部。
图4 4- - 5 圆柱齿轮5 5 秒淬火温度场
图4 4- - 6
圆柱齿轮 10 秒淬火温度场
图4 4- - 7 圆柱齿轮 15 秒淬火 温度场
由仿真图可以看出齿心与齿面的温差变化，在5秒时，△T1=53℃；在10秒时，△T2=79℃；在15秒时，△T3=87℃。随着温度的推移，齿心与齿面的温差逐渐增大，其热应力也随之增大，所以在淬火刚开始的这个时间段内，是累积热应力的主要过程。
由于在淬火的过程中，齿面与齿心的温差较大，就整个齿轮而言，尺寸较小的轮齿部分淬火过程中受作用最为明显，会引起不同程度的尺寸和形状误差，所以在齿轮的加工过程中，要根据仿真的结果，分析其综合变形量，应用到实际的生产加工中，为齿轮的下一步工艺加工，取一个合适的叫加工余量。
通过对温度场仿真结果进行分析，我们可以清晰地得出齿轮淬火过程中各时间段的温度变化，各部分间的温差范围，推算出齿轮的各部分的淬火变形方式和形变量，同样，根据对仿真结果个时间段的对比分析，可以较快捷准确地确定齿轮淬火过程中的最佳时间，为齿轮淬火分析提供理论依据。
精选文库 - - 11 - 4.2 淬火应力分布的仿真
由于齿轮的不同部分之间的热膨胀系数不匹配，在淬火的急速冷却过程中，彼此的收缩不一致，从而导致热应力的产生，同时也达到了齿面增效强化的目的。热应力问题实际又是两个物理场之间的相互作用，故属于耦合场问题。ANSYS提供了两种分析热应力的方法：直接法和间接法。
图4 4- - 8
间接法分析数据流程图
使用间接法的步骤基本上是先进行热分析，重新进入前处理，然后设置结构分析，读入热分析的节点温度后再设置参考温度，最后进行求解和后处理。我们采用后者，先进行热分析获得淬火温度场分布，然后将求得的节点温度作为体载荷加到结构应力分析中。淬火过程产生不均匀的应力分布，齿廓应力变化明显，应力集中在齿根部位，图4-9、4-10、4-11分别为5秒、10秒和15秒轮齿增效强化的应力分布。
图4 4- - 9
圆柱齿轮5 5 秒淬火热应力
分析 1 分析 2 结果 1 结果 2
精选文库 - - 12 -
图4 4- - 10
圆柱齿轮 10 秒淬火热应力
图4 4- - 11
圆柱齿轮 15 秒淬火热应力
通过对图4-9进行分析，可以得到以下几点结论：
1）齿廓应力变化明显，应力集中在齿根部位，且齿根部位应力最大，极大值为530.4Mpa,齿顶最小,极小值为2.7Mpa; 2）两侧齿面应力较芯部大，形成狭窄齿面张力的集中区域，且由齿根向齿 顶衰减，变化幅度较大； 3）内圈应力集中明显，内圈到齿顶应力变化平稳； 4）其它时间段的轮齿增效强化情况与图4-9类似，随着时间段拉长，应力向 轮齿内部扩散。
第五章
结论 5.1 结论
本课题采用了 ANSYS 有限元分析计算软件，对圆柱齿轮进行温度场—应力场的耦合、温度场、应力分布和应变的仿真计算。在此期间，我根据齿轮参数，用 SolidWorks 三维绘图软件绘制出了圆柱齿轮的三维造型图，并把数据导入ANSYS 软件，建立了圆柱齿轮淬火过程热力学模型，接着用计算机仿真了圆柱齿轮淬火的过程，并简要分析了大模数圆柱齿轮淬火的变形。
首先根据参数，用 SolidWorks 三维绘图软件进行了圆柱齿轮的三维造型，并利用 SolidWorks 软件和 ANSYS 软件的的数据传输功能，将齿轮的三维造型图导入了 ANSYS 软件，并采用了 ANSYS 有限元分析计算软件，完成了对圆柱齿轮淬火过程中温度场和应力场的有限元仿真分析，并通过对仿真结果的分析，得出了淬火过程中的各项数据。
通过此次对大模数齿轮的淬火过程进行计算机仿真和分析，所揭示的规律和结果，对以后的深入研究都有一定的参考价值和意义。
精选文库 - - 13 - 参考文献
【1】
纪名刚.机械设计.第八版.高等教育出版社[M]。2006
【2】王焕琴，杜家熙，马孝琴.机械工程材料与热加工[M].电子科技大学出版社，2000 【3】王勖成．有限单元法[M]．清华大学出版社．2005 【4】
薛守义．有限单元法[M]．中国建材出版社．2005
【5】
胡德林．金属学及热处理[M]．西北工业大学出版社，1995
【6】关鼎，肖平阳.SolidWorks 三维造型典型实例教程[M].机械工业出版社，2006 【7】
李强，淬火过程的计算机模拟与试验研究[D]．燕山大学， 2003
【8】
工程材料实用手册编委会.工程材料实用手册[M].北京：中国标准出版社，1988