齒輪傳動動力特性分析齒輪傳動的力學(xué)特性對整個機械系統(tǒng)的性能有極大影響 ,因此,準(zhǔn)確地掌握齒輪傳動的力學(xué)特性,對于整個系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計、強度校核、故障診斷與預(yù)測試驗結(jié)果起著很重要的作用。研究系統(tǒng)動態(tài)嚙合力以及沖擊作用下的動態(tài)響應(yīng),是齒輪系統(tǒng)動力學(xué)的重要研究內(nèi)容。常規(guī)機械設(shè)計理論得到的齒輪嚙合力是一個恒定力,與真實情況比相差較大。許多學(xué)者利用有限元法對齒輪載荷和應(yīng)力以及沖擊響應(yīng)進行過研究[1~4],也有學(xué)者利用多體動力學(xué)理論對齒輪傳動系統(tǒng)動態(tài)嚙合力進行過研究[5],雖然這些研究方法對齒輪接觸應(yīng)力、輪齒變形以及嚙合剛度的分析是有效的,也可以得出齒輪的嚙合力[5~8],然而這些方法往往都是基于解析方法和簡單的數(shù)值仿真,作了大量的簡化,不能反映實際的情況,得不到整個嚙合過程中的齒輪動態(tài)嚙合力。而ANSYS/LS-DYNA提供的接觸問題有限元數(shù)值法以及顯示中心差分法在分析求解齒輪動態(tài)嚙合特性方面有其獨特的優(yōu)點,可以處理結(jié)構(gòu)形狀、邊界條件、載荷工況均很復(fù)雜的問題,也可以考慮傳動誤差和輪齒表面的摩擦,并且它有著完備的接觸力計算方法。本文基于ANSYS/LS-DYNA建立了齒輪傳動系統(tǒng)嚙合接觸的動力學(xué)特性的仿真模型,得到了輪齒響應(yīng)節(jié)點的位移、速度和嚙合力隨時間變化的曲線。結(jié)合Matlab及齒輪嚙合原理，得到了在不同轉(zhuǎn)速條件下，齒輪動態(tài)傳遞誤差曲線和不同摩擦條件下,齒輪動態(tài)傳遞誤差曲線,以及不同轉(zhuǎn)速和摩擦條件下的齒輪動態(tài)嚙合力隨時間變化的曲線。1齒輪傳動動力特性數(shù)值仿真1.1模型建立利用Pro/E的參數(shù)化建模功能,可建立標(biāo)準(zhǔn)的直齒輪傳動模型。其主要參數(shù)為:主從齒輪齒數(shù)Z=20,模數(shù)m=5mm,齒寬b=40mm。然后利用Pro/E 與ANSYS的接口，把所建立的三維實體模型導(dǎo)入ANSYS/LS-DYNA進行分析。對ANSYS/LS-DYNA中的齒輪傳動模型，選用solid164和shell163單元。solid164單元是8節(jié)點六面體單元，它能節(jié)省機時并在大變形條件下增加可靠性。shel1163單元是4節(jié)點四邊形單元或3節(jié)點三角形單元。1.3設(shè)置實常數(shù)、材料屬性對實體單元，不需要設(shè)置實常數(shù)，采用缺省算法。其材料屬性選線彈性材料 ，物理參數(shù)為：彈性模量E=206GPa,泊松比M=0.3,質(zhì)量密度Q=7800kg/m3,對she11163單元，單元為均勻厚度，要定義節(jié)點1處的殼厚，輸入0.1,選S/RCo-rotationalHughes-Liu面內(nèi)多積分點改進型單元算法。設(shè)置材料屬性時需設(shè)置其平移和旋轉(zhuǎn)約束參數(shù)，對兩個齒輪均選用以下參數(shù)：TranslationalConstraintParameter-7（約束x,y和z位移）,RotationalConstraintParameter-4（約束x和y向旋轉(zhuǎn)）。1.4劃分網(wǎng)格由于齒輪模型的不規(guī)則性，可采用sweep方式劃分網(wǎng)格。其具體操作過程是：先用shell殼單元在齒輪的一個側(cè)面上劃分網(wǎng)格，然后再用solid164單元選擇線彈性材料掃掠整個齒輪，最后在齒輪內(nèi)圈用shell163選剛體材料劃分網(wǎng)格即可。網(wǎng)格的模型如圖1所示。圖1齒輪傳動的網(wǎng)格橙里Fig1GrtiModelctGearDrive齒輪在嚙合傳動過程中,主動齒輪以一定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動,驅(qū)動從動齒輪運轉(zhuǎn)。從動齒輪在阻力作用下達到平衡,對主動齒輪產(chǎn)生反力矩,兩齒輪間通過輪齒接觸傳遞轉(zhuǎn)矩。本文采用的是剛體運動控制法,模擬齒輪副轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的傳遞。主、從動輪的內(nèi)圈均被定義成了剛體,其整個輪體還是彈性體。對于主動輪,定義一速度控制剛體,施加繞主軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速,則剛體將驅(qū)動彈性體轉(zhuǎn)動。對于從動輪,定義一轉(zhuǎn)矩控制剛體,并限制剛體兩個方向的旋轉(zhuǎn)自由度以及3個方向上的平動自由度,只余下繞從動軸旋轉(zhuǎn)的自由度。這樣,通過主、從動輪齒與齒的接觸,起到傳遞轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的作用。2計算結(jié)果分析利用LS-DYNA的后處理器LS-PREPOST可以得到一對嚙合齒輪對應(yīng)節(jié)點的位移、速度隨時間變化的曲線。一般來說,齒輪傳動誤差定義為[9]DTE=r1H1(t)-r2H2(t)式中,r1,r2為一對嚙合齒輪的分度圓半徑;H1,H2為其轉(zhuǎn)動角度。根據(jù)上式即可求得齒輪副系統(tǒng)的動態(tài)傳遞誤差(DTE)隨時間變化的曲線,如圖2所示。圖2a中,在0~2ms時,隨著轉(zhuǎn)速增大,動態(tài)傳遞誤差(DTE)的峰值明顯增大,此時系統(tǒng)出現(xiàn)雙邊沖擊狀態(tài),隨后齒輪副嚙合進入相對平穩(wěn)階段,齒輪處于單邊沖擊狀態(tài)。圖2b中，細實線--.表示X=600rad/s時,無摩擦?xí)r齒輪系統(tǒng)的動態(tài)傳遞誤差(DTE)隨時間變化的曲線;線--#-.表示X=600rad/s時,接觸面存在滾動和滑動摩擦?xí)r系統(tǒng)的動態(tài)傳遞誤差(DTE)隨時間變化的曲線。齒面存在摩擦?xí)r,動態(tài)傳遞誤差(DTE)的峰值減少,且摩擦阻尼的存在,使傳遞誤差出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。取仿真時間為0.02s,得到了X=600rad/s時輪齒點速度隨時間變化的曲線，如圖3所示，其中圖3a線--v-.為主動輪隨時間變化的曲線;線--#-. 為輸入轉(zhuǎn)速的曲線。從圖中可以看出,在齒輪的嚙合過程中,由于輪齒沖擊的存在,齒頂速度以v=3455.75mm/s為中心出現(xiàn)較大的波動。在t=0.01s時,主動輪速度逐漸增大,t=0.01025s時速度達到最大值,此時輪齒又發(fā)生沖擊,主動輪速度逐漸減小,此時兩齒處于非接觸階段；t=0.01115s時， 速度降到最低點。圖3b中，線--v-.為從動輪隨時間變化的曲線;線--#-. 為輸入轉(zhuǎn)速的曲線,從圖中可以看出,由于沖擊的存在從動輪轉(zhuǎn)速波動中心上升,其平均速度約為3479mm/s(>3455.75mm圖4給出了3種不同轉(zhuǎn)速條件下嚙合點在x,y和z方向的嚙合力隨時間變化的曲線。隨著轉(zhuǎn)速增大，x方向和y方向瞬態(tài)嚙合力明顯增大，嚙合平穩(wěn)后，嚙合力的變化相對較平穩(wěn)。在z方向，高速時，出現(xiàn)了4個非常明顯的峰值。圖5給出了有摩擦和無摩擦?xí)r齒輪嚙合點受力隨時間變化曲線，摩擦的存在同樣使輪齒嚙合點x和y方向力產(chǎn)生滯后，z方向同樣存在幾個較大的峰值，這種現(xiàn)象可以解釋◎2D63 4時間ma不同轉(zhuǎn)速時/s)o?■f-el￡40003/s)o?■f-el￡40003SOO36003400時間而isb不同摩擦?xí)r圖2動態(tài)傳遞反差通時間變化的曲墟Fg2DynamfcTensmesionErrorVsTme0.01n,0110,0120.013OX)14CHH50,0160tQ170h0|8。川9(102_*EE)飛曼福時間島片3455,75nuri^t4rL6()0rad/s)_*EE)飛曼福時間島片3455,75nuri^t4rL6()0rad/s)0.010.0110+0120,0130,0140.0150.0160,0】70+0180.0190.0235如352035(H)34X4)3461)3440時間離

b3 =600rad/曲輪齒速度隨時間變化的曲瓏Fiq3RotatingSpeedofTmhqGearVsTme1000?2000 0.5I1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5NWE叵-R.rNWE叵-R.r20100“00 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5OfiW/ms圖43種不同轉(zhuǎn)速時齒輪嚙合點受力隨時間變化曲線Fg.4ForceofPifchPontVsTmenThreeDifferentRoteitingSpeed時間/ms圖5有摩擦和無摩擦?xí)r齒輪軸受力隨時間變化曲線Fa5FoceofGearShaftVsTmeinFrictionandFricton-fiee車速’〔km■h|cd圖4咎性能參數(shù)平均最大割量值與車速的美系曲線Fd4CurwsofAveageMaxmLinofCharacterPaameferswithV5hicb5結(jié)論利用ADAMS/Car專業(yè)轎車模塊建立了帶有試驗平臺的整車虛擬樣機模型，闡述了蛇行路徑的實現(xiàn)方法，最后進行了蛇行仿真試驗并得到了符合國標(biāo)要求的預(yù)期的試驗結(jié)果。通過本次試驗可得到如下幾點結(jié)論：1）應(yīng)用ADAMS/Car模塊能快速、準(zhǔn)