[发明专利]一种预测塑料齿轮啮合温度场的方法

说明书

发明提供一种预测塑料齿轮啮合温度场的方法。该方法包括以下塑料齿轮啮合产热过程的仿真分析、塑料齿轮啮合热流传播过程的仿真分析、获得迭代更新后的接触齿面节点上的产热功率和每个单元的产热功率密度等步骤。该方法可以直观地预测塑料齿轮的啮合温度场分布结果，从而避免实际产品实验所产生的高昂设备与时间成本，缩短塑料齿轮产品的开发周期。

技术领域

本发明涉及计算机仿真技术领域，特别涉及一种预测塑料齿轮啮合温度场的方法。

背景技术

齿轮传动是机械传动中应用最广泛的传动方式。随着新材料的发展，制作齿轮的材料已不再局限于金属材料。塑料齿轮具有低噪音、轻量化、易于保养和自润滑性等优势。近年来，塑料齿轮在实际经济生活中得到广泛应用。

然而，塑料在作为动力承载元件使用时，不但有摩擦生热，还会有粘弹性滞后能耗生热，力学性能具有很强的温度依赖性。随着啮合接触过程产生的热流促使塑料轮齿温度不断增加，尤其是由于塑料自身的低导热能力而导致齿面接触区局部温度飙升，会导致轮齿承载能力严重不足和齿面的急剧磨损，甚至轮齿的局部软化。

因此，亟需开发出一种能够较为准确地预测塑料齿轮啮合温度场的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种预测塑料齿轮啮合温度场的方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种预测塑料齿轮啮合温度场的方法，包括以下步骤：

1)仿真分析塑料齿轮啮合的产热过程，计算得出接触齿面节点上的产热功率和每个网格单元的产热功率密度。

2)将步骤1)计算所得的接触齿面节点产热功率和单元产热功率密度作为热源参数，仿真分析塑料齿轮啮合的热流传播过程，计算获得塑料齿轮在一定啮合周期内的三维温度场。

3)将步骤2)得到的三维温度场作为迭代更新后的初始温度条件，重复步骤1)～2)直至达到设定的啮合周期数。获得最终的啮合温度场分析结果。

进一步，步骤1)具体包括以下步骤：

1.1)对塑料齿轮的三维模型进行网格划分。

1.2)输入塑料的材料性能参数。其中，所述材料性能参数包括弹性模量、泊松比、Prony级数、导热系数、热膨胀系数和比热容。

1.3)输入齿面接触属性参数。其中，所述齿面接触属性参数包括摩擦系数、接触换热系数和摩擦热分配系数。

1.4)根据实际的啮合工况，对塑料齿轮啮合过程进行分析。基于分析结果，计算接触齿面节点上的产热功率和每个单元的产热功率密度。其中，接触齿面节点上的产热功率通过式(1)计算。每个网格单元的产热功率密度通过式(2)计算。

q_f，n＝Q_f，n/t (1)

式中，q_f，n为接触齿面节点的产热功率。Q_f，n为接触齿面节点上在一个啮合周期中累积的摩擦热。t为每个齿在每个啮合周期中参与啮合的时长。

q_h，en＝ξ/t (2)

式中，q_h，en为每个网格单元在一个啮合周期中的产热功率密度。ξ为每个网格单元在每个啮合周期中累积的黏弹性迟滞损耗热密度。

进一步，步骤1.1)中，将塑料齿轮三维模型进行网格划分后导入仿真软件或直接在三维仿真模型中对塑料齿轮三维模型进行网格划分。

进一步，步骤1.4)中，编写python脚本计算接触齿面节点上的产热功率和每个单元的产热功率密度。Q_f，n和t从塑料齿轮啮合过程分析结果中提取。