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發(fā)動機(jī)將內(nèi)嚙合齒輪應(yīng)用于膨脹機(jī)。但目前對內(nèi)嚙合轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作特性研究上比較薄弱，從膨脹機(jī)的失效情況來看，內(nèi)嚙合齒輪是最容易出故障的零件之一，因而有必要對齒輪工作接觸狀態(tài)下的強(qiáng)度性能進(jìn)行合理的評估。利用有限元分析軟件ANSYS，對內(nèi)嚙合齒輪建立比較精確的分析模型，準(zhǔn)確掌握齒輪接觸應(yīng)力分布特點(diǎn)，得到的研究結(jié)果對內(nèi)嚙合轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)中齒輪的設(shè)計和提高設(shè)計效率具有重要意義。
內(nèi)嚙合轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)齒輪設(shè)計參考齒輪式油泵相關(guān)型線的設(shè)計過程與方法，采用完整的連續(xù)封閉的短幅外擺線的等距曲線作為內(nèi)轉(zhuǎn)子齒廓，外轉(zhuǎn)子采用與其共扼的均布圓弧作為齒形。經(jīng)實(shí)驗(yàn)討論擬用基本參數(shù)如表。經(jīng)計算得到其幾何尺寸參數(shù)如表，利用Pro/E軟件建立齒輪的幾何模型，將建好的2個齒輪進(jìn)行裝配。裝配好的齒輪模型如圖，所示因?yàn)樵撆蛎洐C(jī)的最高溫度可達(dá)到600℃以上，所以選擇耐高溫的材料。本文選擇是高溫合金GH4169，彈性模量206GPa，泊松比為0.30，將齒輪在Pro/E模型轉(zhuǎn)化為ICES格式導(dǎo)入到ANSYS中，將齒輪劃分為三個部分:接觸區(qū)域、接觸相鄰區(qū)域、非接觸區(qū)域，對接觸區(qū)域和接觸相鄰區(qū)域適當(dāng)?shù)募用�。選擇smartsize智能網(wǎng)格劃分，6級精度，單擊mesh，選擇所要劃分的兩個齒輪。然后在齒輪嚙合處進(jìn)行局部加密，得出最終劃分出來的自由網(wǎng)格模型為如圖。用TARGE169和CONTA171或CONTAN172定義2D接觸對。用TARGE170和CONTAN173或CONTAN174定義3D接觸對。
將內(nèi)齒輪外廓邊界上的節(jié)點(diǎn)X，Y，Z方向的位移設(shè)置為零，即約束內(nèi)齒輪的徑向自由度、外齒輪的徑向和轉(zhuǎn)向自由度。由于采用接觸模型計算，載荷可以直接施加到內(nèi)齒輪。將嚙合內(nèi)齒輪的齒廓線2和外齒輪的齒廓線1設(shè)置為接觸對:齒廓線1為接觸面，齒廓線2為目標(biāo)面。將其接觸剛度因子FKN和拉格朗日算法允許的最大滲透量FTLON分別設(shè)置為1.0和0.1。接觸對設(shè)置見圖。在內(nèi)嚙合齒輪膨脹機(jī)中，主動輪內(nèi)轉(zhuǎn)子通過軸輸入轉(zhuǎn)矩傳遞給外轉(zhuǎn)子。對外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子的內(nèi)圓面施加位移約束，約束X軸，再約束外齒輪安裝孔表面上所有節(jié)點(diǎn)的自由度;同時在內(nèi)轉(zhuǎn)子內(nèi)圓面施加轉(zhuǎn)矩，輸入五的值為243N(以發(fā)動機(jī)功率100kW計算得出)。在實(shí)際工作狀況中，需要考慮轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)在齒輪嚙合情況下，7個工作腔內(nèi)的氣體對內(nèi)外轉(zhuǎn)子產(chǎn)生接觸應(yīng)力的影響。由于若考慮氣體壓力，對計算機(jī)的硬件要求過高，且求解繁瑣，耗時過長，所以不予考慮。
在內(nèi)外齒輪嚙合的情況下，對內(nèi)轉(zhuǎn)子施加243N的扭矩，使其繞中心軸進(jìn)行順時針轉(zhuǎn)動。由靜應(yīng)力分析圖可得知：最大應(yīng)力在接觸面1上，該處的齒輪最大應(yīng)力主要集中在外齒輪齒頂處與內(nèi)齒輪齒根處，達(dá)到了946.582MPa，并逐漸向周圍擴(kuò)散減小。接觸面2上齒輪的應(yīng)力相比于接觸面1已經(jīng)大幅減小，最大應(yīng)力值降低為631.002MPa。接觸面3處內(nèi)齒輪齒根處受力為210.352MPa左右，已大幅度下降。接觸面4內(nèi)外齒輪嚙合處應(yīng)力都發(fā)生在齒頂處，集中在一個極小范圍內(nèi)為105.176MPa。接觸面5、接觸面6、接觸面7處幾乎不受力。
通過應(yīng)力云圖可以看出齒輪在接觸點(diǎn)和齒根處應(yīng)力集中，最容易發(fā)生破壞。由圖比較可知，在內(nèi)嚙合轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)工作情況下，接觸面1受到的壓力最大，也最容易發(fā)生斷裂，尤其在內(nèi)轉(zhuǎn)子的齒根圓角處。這是因?yàn)橹鲃虞啚閮?nèi)轉(zhuǎn)子，內(nèi)轉(zhuǎn)子帶動外轉(zhuǎn)子時，接觸面1處于完全嚙合情況下，傳動效率最大，所以在此處產(chǎn)生的接觸應(yīng)力最大。同時接觸面1也處于工作腔滿載荷情況下，此時壓力達(dá)到最大，理論值約為6atm，接觸面1不僅受到內(nèi)外轉(zhuǎn)子完全嚙合產(chǎn)生的接觸應(yīng)力，同時還受到了高壓氣體對齒輪產(chǎn)生的壓力，此處最容易折斷，這是膨脹機(jī)工作情況下最容易發(fā)生故障的原因之一，其余6個接觸面的接觸力逐漸減小18]0本實(shí)驗(yàn)采用了高溫合金GH4169，該材料在高溫時有較大屈服強(qiáng)度，符合實(shí)驗(yàn)要求。為了減小內(nèi)轉(zhuǎn)子的齒根處的應(yīng)力，可以對齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計時改變其參數(shù)，加工時進(jìn)行熱處理和加大局部工藝強(qiáng)度等。
1)在高速工作情況下的膨脹機(jī)每個接觸面都在不斷交替承受著較大的作用力，所以在材料選擇方面，需要選用高強(qiáng)度的材料，本文采用高溫合金GH4169符合實(shí)驗(yàn)要求，傳統(tǒng)的45號鋼很難達(dá)到強(qiáng)度要求。2)內(nèi)嚙合齒輪式膨脹機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子的最大應(yīng)力發(fā)生在齒根的圓角處。在齒輪嚙合過程中，此處最容易折斷，這是膨脹機(jī)工作情況下易發(fā)生故障的原因之一。3)根據(jù)以上的數(shù)據(jù)分析，對內(nèi)嚙合齒輪膨脹機(jī)的齒輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計、參數(shù)的優(yōu)化和強(qiáng)度的校核方面提供一定的參考價值。
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