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汽車(chē)零部件的輕量化己成為了汽車(chē)行業(yè)的重要問(wèn)題。塑料齒輪有傳動(dòng)噪聲低、吸振、自潤(rùn)滑等優(yōu)點(diǎn)，而且能跟其他塑料零件很好地配合，相比金屬齒輪，塑料齒輪可注塑成型，能夠節(jié)省較多的加工時(shí)間和成本。用塑料齒輪來(lái)代替金屬齒輪成為汽車(chē)行業(yè)相關(guān)研究部門(mén)關(guān)注重點(diǎn)。
塑料齒輪在嚙合過(guò)程中，摩擦產(chǎn)生的摩擦熱和因材料瓢彈性產(chǎn)生的滯后熱，影響材料的力學(xué)參數(shù)，產(chǎn)生熱應(yīng)變，從而影響塑料齒輪的嚙合性能；同時(shí)溫度升高還會(huì)影響潤(rùn)滑油的性能；材料力學(xué)參數(shù)和潤(rùn)滑油性能的變化又會(huì)對(duì)嚙合過(guò)程產(chǎn)生影響。這種耦合導(dǎo)致研究塑料齒輪嚙合區(qū)域的熱特性特別復(fù)雜。局部溫升過(guò)高時(shí)，會(huì)發(fā)生齒而燒傷或熔化等與金屬齒輪不同的損傷形式；同時(shí)，熱失效還將降低塑料齒輪精度。因此，塑料齒輪齒而溫度分布的研究是塑料齒輪設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。本研究中我們應(yīng)用Marc軟件的有限元分析法來(lái)對(duì)塑料齒輪嚙合區(qū)的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，研究嚙合齒瞬態(tài)溫度。
使用Marc軟件進(jìn)行熱分析時(shí)，一般要進(jìn)行以下步驟：(1)創(chuàng)建或讀入幾何模型；(2)劃分有限元網(wǎng)格；(3)定義材料屬性；(4)設(shè)定邊界條件及施加載荷；(5)定義熱分析類(lèi)型；(6)提交Marc進(jìn)行有限元分析；(7)結(jié)果后處理。
本研究中使用接觸來(lái)模擬摩擦，用Prony級(jí)數(shù)來(lái)表達(dá)塑料斜齒輪的彈性，使用多場(chǎng)耦合來(lái)進(jìn)行熱分析。
本研究的對(duì)象為塑料-金屬斜齒輪副，考慮使用潤(rùn)滑油的工況，有限元分析中若考慮溫度場(chǎng)，結(jié)構(gòu)場(chǎng)和流場(chǎng)的耦合關(guān)系，有限元仿真結(jié)果會(huì)更精確一些。
(1)結(jié)構(gòu)場(chǎng)和溫度場(chǎng)的關(guān)系。溫度場(chǎng)通過(guò)溫度影響結(jié)構(gòu)場(chǎng)的應(yīng)力，實(shí)際上并不僅僅如此，結(jié)構(gòu)場(chǎng)的諸多物理性質(zhì)，如彈性、密度等性質(zhì)都受到溫度的影響。
(2)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)之間的關(guān)系。流場(chǎng)通過(guò)流體的流動(dòng)的速度與壓力影響溫度場(chǎng)。流場(chǎng)到溫度場(chǎng)的耦合，發(fā)生在塑料齒輪嚙合的外部，是邊界耦合的問(wèn)題。這個(gè)方向的耦合起著比較重要作用，不可忽略。
(3)流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)的關(guān)系。本研究中由于考慮的是流體為潤(rùn)滑油，其壓力與速度對(duì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)的影響比較小，因此我們未考慮流場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)的耦合關(guān)系。
由于塑料并不是符合胡克定律的彈性體，而是瓢彈性體，其應(yīng)力響應(yīng)包括彈性部分和瓢性部分，在載荷作用下彈性部分是即時(shí)響應(yīng)的，而瓢性部分需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能表現(xiàn)出來(lái)。
本研究中使用的塑料齒輪與金屬齒輪的嚙合模型由Solidworks建立，讀取到Marc中，然后進(jìn)行幾何修改、網(wǎng)格劃分、設(shè)置邊界條件等后續(xù)處理的有限元模型�？紤]塑料齒輪的瓢彈性會(huì)有材料的非線(xiàn)性問(wèn)題，分析中采用了MSC. Marc中的非線(xiàn)性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析模塊。齒輪的基本參數(shù)與結(jié)構(gòu)尺寸如表所示。
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