齿轮传动动力特性分析齿轮传动的力学特性对整个机械系统的性能有

齿轮传动动力特性分析 齿轮传动的力学特性对整个机械系统的性能有极大影响 因此 准确地掌握 齿轮传动的力学特性 对于整个系统的优化设计 强度校核 故障诊断与预测 试验结果起着很重要的作用 研究系统动态啮合力以及冲击作用下的动态响应 是齿轮系统动力学的重要研究内容 常规机械设计理论得到的齿轮啮合力是一 个恒定力 与真实情况比相差较大 许多学者利用有限元法对齿轮载荷和应力 以及冲击响应进行过研究 1 4 也有学者利用多体动力学理论对齿轮传动系统 动态啮合力进行过研究 5 虽然这些研究方法对齿轮接触应力 轮齿变形以及 啮合刚度的分析是有效的 也可以得出齿轮的啮合力 5 8 然而这些方法往往 都是基于解析方法和简单的数值仿真 作了大量的简化 不能反映实际的情况 得不到整个啮合过程中的齿轮动态啮合力 而ANSYS LS DYNA提供的接触 问题有限元数值法以及显示中心差分法在分析求解齿轮动态啮合特性方面有其 独特的优点 可以处理结构形状 边界条件 载荷工况均很复杂的问题 也可以 考虑传动误差和轮齿表面的摩擦 并且它有着完备的接触力计算方法 本文基于ANSYS LS DYNA建立了齿轮传动系统啮合接触的动力学特性的 仿真模型 得到了轮齿响应节点的位移 速度和啮合力随时间变化的曲线 结 合M atlab及齿轮啮合原理 得到了在不同转速条件下 齿轮动态传递误差曲线 和不同摩擦条件下 齿轮动态传递误差曲线 以及不同转速和摩擦条件下的齿轮 动态啮合力随时间变化的曲线 1 齿轮传动动力特性数值仿真 1 1 模型建立 利用P ro E的参数化建模功能 可建立标准的直齿轮传动模型 其主要参 数为 主从齿轮齿数Z 20 模数m 5mm 齿宽b 40mm 然后利用Pro E 与ANSYS 的接口 把所建立的三维实体模型导入ANSYS LS DYNA进行分析 1 2 选择单元 对ANSYS LS DYNA 中的齿轮传动模型 选用solid164 和shell163单元 solid164单元是8节点六面体单元 它能节省机时并在大变形条件下增加可靠性 shel l163 单元是4节点四边形单元或3 节点三角形单元 1 3 设置实常数 材料属性 对实体单元 不需要设置实常数 采用缺省算法 其材料属性选线弹性材料 物理参数为 弹性模量E 206 GPa 泊松比M 0 3 质量密度Q 7 800 kg m3 对shell163 单元 单元为均匀厚度 要定义节点1 处的壳厚 输入0 1 选S R C o rotationalH ugh es L iu面内多积分点改进型单元算法 设置材料属性时需 设置其平移和旋转约束参数 对两个齿轮均选用以下参数 T ran slat ional C ons train t Param eter 7 约束x y和z 位移 Rotational Con strain t Param eter 4 约束x 和y向旋转 1 4 划分网格 由于齿轮模型的不规则性 可采用sw eep 方式划分网格 其具体操作过程是 先用shel l壳单元在齿轮的一个侧面上划分网格 然后再用solid164单元选择线弹 性材料扫掠整个齿轮 最后在齿轮内圈用sh ell163选刚体材料划分网格即可 网 格的模型如图1所示 1 5 边界条件 齿轮在啮合传动过程中 主动齿轮以一定转速转动 驱动从动齿轮运转 从 动齿轮在阻力作用下达到平衡 对主动齿轮产生反力矩 两齿轮间通过轮齿接触传递转矩 本文采用的是刚体运动控制法 模拟齿轮 副转速和转矩的传递 主 从动轮的内圈均被定义成了刚体 其整个轮体还是 弹性体 对于主动轮 定义一速度控制刚体 施加绕主轴旋转的转速 则刚体 将驱动弹性体转动 对于从动轮 定义一转矩控制刚体 并限制刚体两个方向 的旋转自由度以及3 个方向上的平动自由度 只余下绕从动轴旋转的自由度 这样 通过主 从动轮齿与齿的接触 起到传递转速与转矩的作用 2 计算结果分析 利用LS DYNA 的后处理器LS PREPOST 可以得到一对啮合齿轮对应节点的 位移 速度随时间变化的曲线 一般来说 齿轮传动误差定义为 9 DTE r1H1 t r2H2 t 式中 r1 r2 为一对啮合齿轮的分度圆半径 H1 H2 为其转动角度 根据 上式即可求得齿轮副系统的动态传递误差 DTE 随时间变化的曲线 如图2所示 图2 a中 在0 2 m s时 随着转速增大 动态传递误差 DTE 的峰值明显增 大 此时系统出现双边冲击状态 随后齿轮副啮合进入相对平稳阶段 齿轮处 于单边冲击状态 图2b 中 细实线 表示X 600 rad s时 无摩擦时齿 轮系统的动态传递误差 DTE 随时间变化的曲线 线 表示X 600 rad s 时 接触面存在滚动和滑动摩擦时系统的动态传递误差 DTE 随时间 变化的曲线 齿面存在摩擦时 动态传递误差 DTE 的峰值减少 且摩擦阻尼 的存在 使传递误差出现滞后现象 取仿真时间为0 02 s 得到了X 600 rad s时轮齿点速度随时间变化的曲线 如图3 所示 其中图3a线 v 为主动轮随时间变化的曲线 线 为输入转速的曲线 从图中可以看 出 在齿轮的啮合过程中 由于轮齿冲击的存在 齿顶速度以v 3 455 75 mm s为中心出现较大的波动 在t 0 01 s 时 主动轮速度逐渐增大 t 0 010 25 s时速度达到最大值 此时轮齿又发生冲击 主动轮速度逐渐减小 此 时两齿处于非接触阶段 t 0 011 15 s时 速度降到最低点 图3b 中 线 v 为从动轮随时间变化的曲线 线 为输入转速的曲线 从图中可 以看出 由于冲击的存在从动轮转速波动中心上升 其平均速度约为3 479 mm s 3 455 75mm 图4 给出了3种不同转速条件下啮合点在x y 和z 方向的啮合力随时间变化 的曲线 随着转速增大 x 方向和y 方向瞬态啮合力明显增大 啮合平稳后 啮合力的变化相对较平稳 在z方向 高速时 出现了4 个非常明显的峰值 图5 给出了有摩擦和无摩擦时齿轮啮合点受力随时间变化曲线 摩擦的存在同样使 轮齿啮合点x 和y 方向力产生滞后 z方向同样存在几个较大的峰值 这种现象 可以解释 s 5 结论 利用ADAMS Car专业轿车模块建立了带有试验平台的整车虚拟 样机模型 阐述了蛇行路径的实现方法 最后进行了蛇行仿真试验并 得到了符合国标要求的预期的试验结果 通过本次试验可得到如 下几点结论 1 应用ADAM S C ar模块能快速 准确的建立整车虚拟样机模 型 并进行蛇行试验的仿真分析 起到预测整车操稳性能 改进设