減速器行星齒輪傳動(dòng)的仿真分析

減速裝置是一種在原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間執(zhí)行精確旋轉(zhuǎn)和傳遞旋轉(zhuǎn)的機(jī)械裝置。它可以通過不同的級數(shù)及不同的齒數(shù)比來實(shí)現(xiàn)不同的傳動(dòng)比,達(dá)到降低轉(zhuǎn)速的目的。漸開線行星齒輪減速器作為減速機(jī)構(gòu)的一種,通常采用幾個(gè)行星輪同時(shí)傳遞載荷,使功率分流。差動(dòng)齒輪不僅具有傳動(dòng)比范圍大、效率高、體積小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲低等優(yōu)點(diǎn),還可用于速度的合成與分解或變速傳動(dòng),因此廣泛應(yīng)用于冶金、工程機(jī)械、車輛機(jī)械、船舶等做減速、增速或變速的齒輪傳動(dòng)裝置。齒輪零件的強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命的計(jì)算依賴于齒輪接觸力的數(shù)據(jù),同時(shí)研究發(fā)現(xiàn),在工程機(jī)械中,振動(dòng)和噪聲主要來自于齒輪傳動(dòng)系統(tǒng),是由齒輪接觸傳動(dòng)中激振力引起的,其不僅嚴(yán)重影響行星齒輪減速器的動(dòng)態(tài)性能、使用壽命和生產(chǎn)效率,嚴(yán)重的時(shí)候甚至?xí)l(fā)生齒根的變形和斷裂。為了建立齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型和進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,在UG中創(chuàng)建差動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)的三維模型,并將其導(dǎo)入到ADAMS中創(chuàng)建一個(gè)包括構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)副等在內(nèi)的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型。通過仿真在實(shí)際工作中的運(yùn)動(dòng)來測試所建模型,為三維模型的設(shè)計(jì)提供更加可靠的數(shù)據(jù),得到最佳的行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)。1星軸三維實(shí)體建模與模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換1.1差動(dòng)齒輪傳動(dòng)的實(shí)體模型由于ADAMS所提供的實(shí)體造型功能并不適合于復(fù)雜3D曲面的構(gòu)建,所以采用西門子公司的三維建模軟件UG,建立參數(shù)化齒輪實(shí)體模型,同時(shí)利用UG中的裝配模塊,把建立好的參數(shù)化齒輪實(shí)體模型裝配在一起。圖1為2K-H型差動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)實(shí)體模型。這種差動(dòng)減速機(jī)主要的特點(diǎn)是有兩個(gè)輸入端的同時(shí),有一個(gè)輸出端,可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)。已知太陽輪齒數(shù)Z=23,行星輪Z=28,內(nèi)齒圈Z=79,外齒圈齒數(shù)Z=100,齒輪1齒數(shù)Z=20,齒輪2齒數(shù)Z=31,齒輪3齒數(shù)Z=25。該行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪均按漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒輪設(shè)計(jì),如果動(dòng)力由1號輸入軸輸入,則傳動(dòng)比為i=4.5,如果動(dòng)力由2號輸入軸輸入,則傳動(dòng)比為i=8。對文中差動(dòng)減速器的要求是:在兩個(gè)輸入端中,一端工作,另一端則制動(dòng);高速輸出為取樣驅(qū)動(dòng)速度,低速輸出為工作時(shí)保證鋼錠融化的驅(qū)動(dòng)速度。差動(dòng)減速器的兩個(gè)輸入軸分別連接了兩個(gè)電動(dòng)機(jī)。1.2paraolid核心實(shí)體造型技術(shù)的應(yīng)用把在UG中裝配好的三維實(shí)體模型進(jìn)行簡化,通過基于UG與ADAMS的Parasolid核心實(shí)體造型技術(shù)將其導(dǎo)入ADAMS中,可以滿足虛擬樣機(jī)的需要。圖2為導(dǎo)入后的虛擬樣機(jī)模型。2動(dòng)態(tài)模型的構(gòu)建在ADAMS環(huán)境下,根據(jù)模型運(yùn)動(dòng)情況施加相應(yīng)約束和定義嚙合齒輪內(nèi)之間的碰撞力。2.1齒面接觸力的計(jì)算漸開線直齒圓柱齒輪正確嚙合過程中,輪齒間的接觸除了純滾動(dòng)接觸外,還有相對滑動(dòng)。傳統(tǒng)的齒輪接觸問題是基于Hertz接觸理論計(jì)算齒面接觸力的,而Hertz接觸理論沒有考慮輪齒間的相對滑動(dòng)以及由此產(chǎn)生的摩擦等因素的影響。大量研究表明,輪齒間的相對滑動(dòng)再加上輪齒間的摩擦作用是影響齒面接觸的重要因素。因此作者利用ADAMS軟件提供的接觸力模塊,在嚙合的齒輪間添加SolidtoSolidContact。具體參數(shù)為圖3。2.2模型的施加和約束如1軸輸入,將建好的模型導(dǎo)入到ADAMS的軟件中,并對模型施加約束,其步驟如下:(1)內(nèi)齒圈與大地之間利用固定約束連接在一起。2軸、3軸及相配合齒輪均抑制;(2)太陽輪和行星架分別與大地間施加旋轉(zhuǎn)副、行星輪與行星架組件間施加旋轉(zhuǎn)副,使得它們能相對旋轉(zhuǎn)。并且在太陽輪的旋轉(zhuǎn)副上施加運(yùn)動(dòng)約束,使太陽輪保持等速旋轉(zhuǎn);(3)在太陽輪與行星輪、行星輪與內(nèi)齒圈之間施加接觸力;(4)在行星架上施加負(fù)載轉(zhuǎn)矩。如2軸輸入,將建好的模型導(dǎo)入到ADAMS的軟件中,并對模型施加約束,其步驟如下:(1)齒輪2與3軸之間、1軸與大地之間利用固定約束連接在一起;(2)2軸、3軸、內(nèi)外齒圈、太陽輪和行星架分別與大地間施加旋轉(zhuǎn)副,使得它們能相對大地旋轉(zhuǎn)。行星輪與行星架組件間施加旋轉(zhuǎn)副,使得它們能相對旋轉(zhuǎn)。并且在2軸的旋轉(zhuǎn)副上施加運(yùn)動(dòng)約束,使2軸保持等速旋轉(zhuǎn);(3)在所有相互嚙合的齒輪之間施加接觸力;(4)在行星架上施加負(fù)載轉(zhuǎn)矩。3接觸本系統(tǒng)的接觸力分析在完成虛擬樣機(jī)模型前處理之后,取仿真時(shí)間t=0.2s,步長=0.0001s,進(jìn)行虛擬仿真計(jì)算。由于篇幅有限,文中只以2軸為輸入軸進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出,其旋轉(zhuǎn)角速度為18000°/s,負(fù)載轉(zhuǎn)矩為1073000N·mm。太陽輪與行星輪的接觸力曲線見圖4。行星輪與內(nèi)齒圈的接觸力曲線見圖5。對于行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng),由上述數(shù)據(jù)可見,太陽輪與行星齒輪系統(tǒng)中一個(gè)行星輪的平均接觸力為4246.8383N,內(nèi)齒圈與行星齒輪系統(tǒng)中一個(gè)行星輪的平均接觸力為4312.9326N,行星齒輪與太陽輪的接觸力小于行星輪與內(nèi)齒圈的接觸力。輸入軸在不同轉(zhuǎn)速下,太陽輪與行星輪的平均接觸力見表1。在MATLAB中利用數(shù)據(jù)插值方法,構(gòu)造近似擬合的轉(zhuǎn)速與接觸力曲線,如圖6示。由嚙合曲線分析可知,轉(zhuǎn)速與接觸力按非線性規(guī)律變化。太陽輪單齒接觸力見圖7。通過對輸出軸轉(zhuǎn)數(shù)的測量,計(jì)算出太陽輪單齒受力時(shí)間約為0.006s。由接觸力分析圖可知,單齒在進(jìn)入嚙合初期接觸力較大,之后逐漸趨于平穩(wěn)。由于該例太陽輪與行星輪端面重合度為1.505,所以在單齒的接觸區(qū)間內(nèi)有兩處較大接觸力值。4齒輪傳動(dòng)動(dòng)態(tài)特性分析(1)漸開線齒輪動(dòng)態(tài)嚙合力的計(jì)算機(jī)仿真分析方法可以準(zhǔn)確地計(jì)算齒輪傳動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)接觸力,為進(jìn)一步進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和疲勞分析提供了依據(jù)