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發(fā)動機將內(nèi)嚙合齒輪應用于膨脹機。但目前對內(nèi)嚙合轉(zhuǎn)子膨脹機的結(jié)構(gòu)設計和工作特性研究上比較薄弱，從膨脹機的失效情況來看，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)下的強度性能進行合理的評估。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，準確掌握齒輪接觸應力分布特點，得到的研究結(jié)果對內(nèi)嚙合轉(zhuǎn)子膨脹機中齒輪的設計和提高設計效率具有重要意義。
內(nèi)嚙合轉(zhuǎn)子膨脹機齒輪設計參考齒輪式油泵相關(guān)型線的設計過程與方法，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)實驗討論擬用基本參數(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個齒輪進行裝配。裝配好的齒輪模型如圖，所示因為該膨脹機的最高溫度可達到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?shù)募用堋＿x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X，Y，Z方向的位移設置為零，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設置為接觸對:齒廓線1為接觸面，齒廓線2為目標面。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分別設置為1.0和0.1。接觸對設置見圖。在內(nèi)嚙合齒輪膨脹機中，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)動機功率100kW計算得出)。在實際工作狀況中，需要考慮轉(zhuǎn)子膨脹機在齒輪嚙合情況下，7個工作腔內(nèi)的氣體對內(nèi)外轉(zhuǎn)子產(chǎn)生接觸應力的影響。由于若考慮氣體壓力，對計算機的硬件要求過高，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，使其繞中心軸進行順時針轉(zhuǎn)動。由靜應力分析圖可得知：最大應力在接觸面1上，該處的齒輪最大應力主要集中在外齒輪齒頂處與內(nèi)齒輪齒根處，達到了946.582MPa，并逐漸向周圍擴散減小。接觸面2上齒輪的應力相比于接觸面1已經(jīng)大幅減小，最大應力值降低為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。
通過應力云圖可以看出齒輪在接觸點和齒根處應力集中，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。這是因為主動輪為內(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本實驗采用了高溫合金GH4169，該材料在高溫時有較大屈服強度，符合實驗要求。為了減小內(nèi)轉(zhuǎn)子的齒根處的應力，可以對齒輪結(jié)構(gòu)設計時改變其參數(shù)，加工時進行熱處理和加大局部工藝強度等。
1)在高速工作情況下的膨脹機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，需要選用高強度的材料，本文采用高溫合金GH4169符合實驗要求，傳統(tǒng)的45號鋼很難達到強度要求。2)內(nèi)嚙合齒輪式膨脹機內(nèi)轉(zhuǎn)子的最大應力發(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)嚙合齒輪膨脹機的齒輪結(jié)構(gòu)的設計、參數(shù)的優(yōu)化和強度的校核方面提供一定的參考價值。
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