用于螺旋伞齿轮变速扫描加热的仿真分析方法技术

本发明专利技术提供一种用于螺旋伞齿轮变速扫描加热的仿真分析方法，具体步骤为：利用将连续的空间曲线运动等效为感应器三维模型位置变化的方法，根据螺旋伞齿轮的几何结构，将三维模型中螺旋导向路径设定为感应器的运动路径，并在运动路径上选取不均等的加热位置点，用加热位置点确定创建感应器三维模型的位置，用加热位置点创建的平面确定每个感应器三维模型的角度，依次创建N个感应器三维模型，感应器三维模型沿运动路径按次序进行N次感应加热模拟，将第n次的温度结果作为第n+1次的温度场，最后得到第N次的温度结果，完成螺旋伞齿轮的变速扫描加热的仿真。本发明专利技术实现了感应器的空间变速移动扫描加热，解决了螺旋伞齿轮感应加热温差较大的问题。热温差较大的问题。热温差较大的问题。

【技术实现步骤摘要】
用于螺旋伞齿轮变速扫描加热的仿真分析方法


[0001]本专利技术涉及热处理领域，特别涉及一种用于螺旋伞齿轮变速扫描加热的仿真分析方法。

技术介绍

[0002]相对于传统齿轮表面硬化工艺技术，感应加热技术依托高效的电磁加热效应和精准的局部加热优势技术具有热处理畸变量小、工艺成本低等优点。但是，在高端产品的精密感应加热技术开发过程中，发现大模数螺旋伞齿轮电磁加热过程速度快，但受大端和小端几何结构的差异性较大，齿廓的温度均匀性难以控制，而齿轮加热温度的均匀性最终会影响着淬硬层的均匀性和材料性能的完整性，这不仅关系螺旋伞齿轮质量甚至影响到整机的可靠性和耐久性。
[0003]为了获得更好的齿廓温度均匀性，采用扫描加热进行较为精密的电磁感应加热，但如何量化分析螺旋伞齿轮的扫描移动过程是解决生产高端螺伞的一个关键技术难点。研究学者依托先进的计算机仿真技术，对还原分析齿轮电磁加热和热传导过程的演变机理是一个重要的先进手段。但由于螺旋伞齿轮的结构复杂，大端面和小端面的模数不同，存在的螺旋角会导致螺旋伞齿轮齿廓为三维空间曲面，感应器在加热处理时运动是复杂多变的。为了获得精确的设计工艺，须考虑螺旋伞齿轮齿廓横截面尺寸的多变性，在进行感应加热时须兼顾圆环效应和尖角效应，这些物理效应造成螺旋伞齿轮齿廓温度量化分析的难度。所以为了有效提升螺旋伞齿轮扫描加热的温度均匀性，提高齿轮的使用寿命，采用适合空间复杂路径下的变速移动扫描的方式，适应感应器加热运动过程中位置和底面角度的变化，并实现空间变速移动是需要解决的一个行业技术问题。
专利
技术实现思路

[0004]针对螺旋伞齿轮大端和小端上齿廓横截面尺寸不同以及大端和小端加热不均匀的问题，本专利技术提供一种用于螺旋伞齿轮变速扫描加热的仿真分析方法，通过在感应器运动路径上不均等的选取N个点，感应器沿运动路径按次序在选取的N个点的位置上进行等时间的加热，从而在加热模拟时实现在螺旋伞齿轮的小端感应器快速运动，在螺旋伞齿轮的大端感应器缓慢运动，保证螺旋伞齿轮小端和大端齿廓加热均匀。
[0005]本专利技术提供了一种用于螺旋伞齿轮变速扫描加热的仿真分析方法，具体实施步骤如下：
[0006]S1、创建螺旋伞齿轮的三维模型，并将三维模型中螺旋导向路径设定为感应器的运动路径，所述运动路径的表达式为：
[0007][0008]其中，δ
o
为螺旋伞齿轮中渐开线上某点所对应的锥角，δ
b
为螺旋伞齿轮的基圆锥角；
[0009]S2、从螺旋伞齿轮的小端到大端，按照相邻两条线段差距为2a的递减关系，将感应器的运动路径不均等分为m条线段，从而在每个线段加热时间相同的情况下，改变感应器在运动路径的移动速度；
[0010]S3、在运动路径上确定感应器的加热位置点并从运动路径的开始位置进行编号，按照相邻两个加热位置点之间的距离为(S/m+(m
‑
2i+1)
·
a)/p，依次在步骤S2得到的m条线段中每条线段上选取p个加热位置点，因此在运动路径上总共得到的加热位置点的数量为：N＝m
·
p；
[0011]S4、确定感应器的加热角度，将第i个点o
i
在运动路径的切线设为y
i
轴，过点o
i
做垂直于切线方向并平行于螺旋伞齿轮底平面的直线设为x
i
轴，从而得到第i个点o
i
的x
i
o
i
y
i
平面，并根据确定的加热位置点和感应器的加热角度创建感应器三维模型；
[0012]S5、将编号为n的感应器三维模型和螺旋伞齿轮的三维模型导入到有限元软件，通过设置电磁场物理环境进行电磁场求解，并保存电磁场结果；
[0013]S6、设置感应器三维模型在温度场的初始温度，并将步骤S5得到的电磁场求解结果输入到温度场物理环境，进行电磁场和温度场的耦合运算，得到编号为n的感应器三维模型的温度场结果；
[0014]S7、对步骤S6得到的温度场结果进行判断，若编号n大于或者等于N时，则进行步骤S8；若编号n小于N时，则令n＝n+1，并导入编号为n+1的感应器三维模型，并进行步骤S5；
[0015]S8、设置理想温度差最大值为G，沿螺旋伞齿轮的小端到大端的方向，在螺旋伞齿轮的齿顶、齿底和齿面的三条运动路径上提取运动路径上的最大平均温差T，判断最大平均温差T和理想温度差最大值G的关系，若最大平均温差T大于理想温度差最大值G时，则增大a，并转入步骤S2；若最大平均温差T小于或者等于理想温度差最大值G时，则完成扫描加热。
[0016]可优选的是，在步骤S1中，创建螺旋伞齿轮三维模型的基本过程为：首先创建螺旋伞齿轮基体；然后根据螺旋夹角θ创建螺旋导向路径，创建扫描截面，最后通过环形矩阵创建螺旋伞齿轮的齿。
[0017]可优选的是，在步骤S1中，所述运动路径为一个曲率和挠度不断变化的空间曲线，所述运动路径从螺旋伞齿轮的小端开始大端结束。
[0018]可优选的是，在步骤S2中，第i条线段的长度为S/m+(m
‑
2i+1)
·
a，其中，S为运动路径的长度。
[0019]可优选的是，在步骤S3中，所述加热位置点的编号，从感应器的运动路径开始的位置设置第一个点o1，至感应器的运动路径结束的位置设置最后一个点o
N
，实现每一线段中加热位置点的距离由螺旋伞齿轮的小端至大端逐渐减小。
[0020]可优选的是，在步骤S4中，所述感应器的底面平行于螺旋伞齿轮的大端底面；所述感应器三维模型的数量和所述加热位置点的数量相等，均为N个。
[0021]可优选的是，在步骤S5中，所述编号n的初值为1。
[0022]可优选的是，在步骤S6中，所述感应器三维模型的初始温度的设置过程为：若编号n≤1时，则设定感应器三维模型的初始温度为25℃；若编号n>1时，则设定感应器三维模型的初始温度为编号为n
‑
1的感应器三维模型得到的温度场结果。
[0023]本专利技术与现有技术相比，具有如下优点：
[0024]1.本专利技术针对螺旋伞齿轮扫描加热仿真时感应器空间曲线运动复杂难以实现的
问题。通过不均等离散感应器运动路径，将连续的曲线运动等效为感应器模型位置的变化，离散等效拟合了螺旋伞齿轮移动扫描加热路径，并通过点和平面确定感应器的模型位置，适应感应器加热运动过程中位置和底面角度的变化，确保感应器位置的精确度，减小模拟误差。
[0025]2.本专利技术实现了螺旋伞齿轮的空间变速移动，解决了螺旋伞齿轮感应加热温差较大的问题。通过改变运动路径分段长度和选取点的个数，调整相邻点之间的间距大小，完成扫描加热过程中的自动变速。匹配螺旋伞齿轮在齿轮大小端的几何特点，实现适合齿轮感应加热的感应器空间变速运动，更加适应螺旋伞齿轮复杂齿形的感应热处理，有效提升螺旋伞齿轮扫描加热的温度均匀性，提高齿轮的使本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于螺旋伞齿轮变速扫描加热的仿真分析方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S1、创建螺旋伞齿轮的三维模型，并将三维模型中螺旋导向路径设定为感应器的运动路径，所述运动路径的表达式为：其中，δ
o
为螺旋伞齿轮中渐开线上某点所对应的锥角，δ
b
为螺旋伞齿轮的基圆锥角；S2、从螺旋伞齿轮的小端到大端，按照相邻两条线段差距为2a的递减关系，将感应器的运动路径不均等分为m条线段，从而在每个线段加热时间相同的情况下，改变感应器在运动路径的移动速度；S3、在运动路径上确定感应器的加热位置点并从运动路径的开始位置进行编号，按照相邻两个加热位置点之间的距离为(S/m+(m
‑
2i+1)
·
a)/p，依次在步骤S2得到的m条线段中每条线段上选取p个加热位置点，因此在运动路径上总共得到的加热位置点的数量为：N＝m
·
p；S4、确定感应器的加热角度，将第i个点o
i
在运动路径的切线设为y
i
轴，过点o
i
做垂直于切线方向并平行于螺旋伞齿轮底平面的直线设为x
i
轴，从而得到第i个点o
i
的x
i
o
i
y
i
平面，并根据确定的加热位置点和感应器的加热角度创建感应器三维模型；S5、将编号为n的感应器三维模型和螺旋伞齿轮的三维模型导入到有限元软件，通过设置电磁场物理环境进行电磁场求解，并保存电磁场结果；S6、设置感应器三维模型在温度场的初始温度，并将步骤S5得到的电磁场求解结果输入到温度场物理环境，进行电磁场和温度场的耦合运算，得到编号为n的感应器三维模型的温度场结果；S7、对步骤S6得到的温度场结果进行判断，若编号n大于或者等于N时，则进行步骤S8；若编号n小于N时，则令n＝n+1，并导入编号为n+1的感应器三维模型，并进行步骤S5；S8、设置理想温度差最大值为G，沿螺旋伞齿轮的小端到大端的方向，在螺旋伞齿轮的齿顶、...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩毅，张云，马振康，孟伯禹，付长睿，刘家轩，李广，郭一曼，曹佳骏，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：