[15] 准双曲面齿轮三维间隙非线性冲击特性分析_林腾蛟
冲击谱激励下齿轮系统的动力学性能
学者已做了大量的研究工作 , Lam 等对船体管道在 水下爆炸冲击波作用后的动态响应进行了研究 , 并 对某舰船 主 机 的 隔 振 装 置 的 抗 冲 击 性 能 进 行 了 分 析[2] 。Rajendran 及 Shin 计算了船舶在冲击载荷下 的响应[324] 。Carcaterra 等分析了水力冲击载荷条 件下减震器的响应[5] 。李晓彬等计算了考虑动刚度 效应的轴系横向冲击响应[6] 。朱小平等考虑外冲击 作用下转速的影响 , 对主推进轴冲击响应进行了数 值仿真[7] 。江国和等利用伪力法计算了带有限位器 的浮筏隔振系统模型的冲击响应[8] 。刘少俊等研究 了正常运转下的柴油机零部件冲击响应的计算方法
船舶在航行过程中可能遭遇不可预测的外部冲 击激励 ,冲击载荷对船舶产生的冲击动态响应将对 船用设备产生一定程度的破坏 。破坏形式主要表现 为 2 种 :一是设备在某一激振频率作用下产生共振 , 最后因振动加速度超过设备的极限加速度而破坏 , 或者因为冲击所产生的冲击应力超过设备的强度极 限而造成破坏 ; 二是振动加速度或冲击力引起的应 力虽远低于材料在静载荷下的强度极限 , 但因为长 期振动或多次冲击会使设备疲劳损坏[1] 。因此有必 要对船用设备的抗冲击性能进行分析 。
1. 2 齿轮系统有限元网格 齿轮系统中 , 传动轴由滑动轴承支承在轴承座
上 ,轴承盖与轴承座间用螺栓连接 , 上箱体与下箱体 间用螺栓连接 。对其进行网格划分时 , 涉及如下单 元类型 :杆单元 、弹簧单元及四面体单元 。
杆单元用来模拟螺纹连接及滑动轴承对轴的轴 向支撑 ,弹簧单元用来模拟齿轮副的啮合及滑动轴 承对轴的径向支撑 。齿轮副弹簧刚度取齿轮啮合综 合刚度 ,滑动轴承处理为线性弹簧 阻尼单元 , 其刚 度与阻尼见表 2 。
斜齿轮传动中啮合冲击数值研究(1)
第 %( 卷
第’期
关于点线啮合齿轮螺旋角选择的研究
(
文章编号: (%""&) !""# $ %&’( "’ $ """( $ "’
关于点线啮合齿轮螺旋角选择的研究
(武汉理工大学物流工程学院, 湖北 武汉 #’"")’)
黄
海
厉海祥
罗齐汉
摘要
改变了渐开线齿轮为凑中心距或者从优化角度来选取! 值 点线啮合齿轮螺旋角! 的选择,
第 )< 卷
第+期
斜齿轮传动中啮合冲击数值研究
;
四面体网格 ( !"#$) 进行自适应划分, 得到 %%&’() 个节 点, *+)%*’ 个单元。图 % 为斜齿轮啮合三维接触有限 元模型网格的局部视图。 !!" 模型边界条件 斜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, 从动齿轮在阻力矩作用下达 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。 本文采用刚体运动控制法, 模拟斜齿轮副转速和 转矩的传递。对于主动轮, 定义一速度控制刚体, 施加 绕主轴旋转的转速, 将主动轮定义为变形体, 在接触表 面设置刚体和主动轮粘接, 这样速度控制刚体可以控 制主动轮的运动。对于从动轮, 定义一载荷控制刚体, 定义刚体控制节点和辅助节点, 将实际的转矩以点载 荷的形式施加到辅助节点, 限制辅助节点两个方向的 旋转自由度, 余下绕从动轮轴线转动的自由度, 同时约 束控制节点三个方向的平动自由度。相当于在载荷控 制刚体上施加了绕从动轮轴线的转矩, 余下绕从动轴 旋转的自由度。定义从动轮为变形体, 在接触表面设 置载荷控制刚体和从动轮粘接, 转矩即施加到从动轮。
弧齿准双曲面齿轮啮合接触冲击有限元仿真分析
2 .中南 大 学 机 电工程 学 院 , 南 长沙 4 0 8 湖 10 3)
摘 要: 针对有限元方法分析螺旋锥齿轮工作 中的啮合接触 冲击行 为, 以一对弧齿准双 曲面齿轮 为例 , 通过 V B控制 C TA A I
第 8卷
第 4期
铁 道 科 学 与 工 程 学 报
J OURN AL OF RAI1『 /AY Cl L\ S ENCE AND E NG I NEERI NG
VO1 NO 4 . 8 .
21 0 1年 8月
Au . 2 g 011
弧 齿 准 双 曲面 齿 轮 啮 合 接 触 冲 击 有 限 元 仿 真 分 析
Ab t a t T e c n a t mp c ci n o p r l e e g a y tm s s l td b s d o ef i l me ta a— sr c : h o tc —i a t t f ia b v l e rs se wa i a e a e n t n t ee n n l a o s mu h i e y i o t r .A ar o y od g a s a x mp e ss s f wa e p i fh p i e ra n e a l ,mo ee y s lt g ma h n n r c s a e n C I d ld b i ai c i i g p o e s b s d o AT A mu n
Y O Q .igr T N i—un , A i n . A G J y a p n
( .SaeK yLbrtr f g ef mac o pe n f tr g C agh 10 3,hn ; 1 t e aoa yo Hi Pr r neC m l Maua u n , hnsa40 8 C ia t o h o x c i 2 col fMeh n a a dEetclE gneig CnrlSuhU i ri ,h nsa 10 3 C ia .S ho o ca i n l r a n ier , et o t nv sy C a gh 0 8 , hn ) c l ci n a e t 4
[45] 船用齿轮箱动态响应及抗冲击性能数值仿真_林腾蛟
振 动 与 冲 击第26卷第12期J OURNAL OF V IBRAT I ON AND SHOCK Vo.l 26N o .122007 船用齿轮箱动态响应及抗冲击性能数值仿真基金项目:国家自然科学基金资助项目(编号:50675232);重庆市科委自然科学基金计划资助项目(编号:CSTC ,2006BB3008)收稿日期:2007-02-28 修改稿收到日期:2007-09-06第一作者林腾蛟男,博士后,副教授,1968年5月生林腾蛟, 蒋仁科, 李润方, 刘 文(重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆 400044)摘 要:采用三维冲击/动力接触有限元法计算轮齿的时变啮合刚度和啮合冲击激励,用简谐函数模拟齿轮误差及外部加速度激励。
综合考虑由轮齿刚度激励、误差激励和啮合冲击激励引起的内部动态激励以及由冲击加速度引起的外部激励的影响,建立了齿轮箱动力分析有限元模型。
应用I-DE A S 软件计算了齿轮箱的固有模态,并对齿轮箱承受内部激励和外部激励时的动态响应进行了数值仿真,得出了各种激励下齿轮箱的动态应力,为船用齿轮箱抗冲击能力的确定提供了理论依据。
关键词:齿轮箱;动态激励;抗冲击性能;有限元法中图分类号:TH 113.1 文献标识码:A船用齿轮箱在运转过程中不仅受到由轮齿刚度激励、误差激励和啮合冲击激励引起的内部动态激励作用,同时还可能受到不可预测的外部加速度冲击激励的作用,这将引起齿轮箱的剧烈振动,有时甚至影响整个系统的正常运行。
船用齿轮箱抗冲击性能研究,目前主要采用冲击试验和仿真预测两类方法。
经济发达国家通常采用冲击试验方法,而发展中国家,通常采用仿真与试验相结合的方法,通过试验研究确定合理的仿真方法。
对齿轮系统动态激励和抗冲击性能的仿真分析,不仅可以大大减少试验成本,同时对降低齿轮系统的振动噪声,在产品设计阶段预估设备的抗冲击能力具有重要的现实意义。
近年来,国内外学者在齿轮系统动态响应方面已取得卓有成效的成果。
增速箱内部动态激励及系统振动响应数值仿真
农业机械学报
第 33 卷 第 6 期
增速箱内部动态激励及系统振动响应数值仿真
林腾蛟 李润方 杨成云 杭华江
【摘要】 采用三维接触有限元法得出啮合齿对的时变刚度曲线, 根据齿轮精度确定齿面误差曲线, 求得包括
刚度激励和误差激励在内的内部动态激励。 应用 I2D EA S 软件建立了增速箱有限元动力分析模型, 并对增速箱的
固有频率以及箱体和传动轴的振动响应进行了数值仿真, 计算结果有良好的规律性。
叙词: 齿轮变速箱 激励 动态响应 有限元法
中图分类号: TH 132
文献标识码: A
Num er ica l S im ula tion for Inner D ynam ic Exc ita tion and System V ibra tion Respon se of Speed Increa s ing Gearbox
Key words Sp eed2chang ing gea r boxes, Excita t ion, D ynam ic respond, F in ite elem en t m ethod
引言
齿轮系统动态激励有外部激励和内部激励两 类。外部激励包括齿轮偏心、原动机及负载的转速与 转矩波动等引起的激励; 内部激励包括刚度激励、误 差激励和啮合冲击激励。 分析齿轮系统的内部激励 和振动响应对降低齿轮系统的振动和噪声有着重要
使一对或几对同时啮合的轮齿在 1 mm 齿宽上产生
1 Λm 挠度所需的载荷。 设啮合齿对数为 n, 则轮齿 综合啮合刚度可以表示为[4 ]
n
∑ k =
F i (∆p i+ ∆g i)
(4)
i= 1
式中 F i——啮合齿对接触力
准双曲面齿轮和螺旋锥齿轮设计的统一算法
准双曲面齿轮和螺旋锥齿轮设计的统一算法准双曲面齿轮传动是锥齿轮传动中的普遍形式,螺旋锥齿轮是它的一种特殊情况.当准双曲面齿轮的偏置距E12=0时,就成为螺旋锥齿轮传动.在外形和加工方法上,准双曲面齿轮与螺旋锥齿轮无本质区别,切齿计算方法差别也不大[1,2].在实际设计中,它们的几何计算方法却不相同.当偏置距E12趋近于零时,现行的准双曲面齿轮的几何计算公式误差增大,甚至失效.因此螺旋锥齿轮设计的几何计算不能采用准双曲面齿轮几何计算公式和计算方法.在CAD软件开发中必须对这两种锥齿轮分别进行处理. 作者提出一种适合于准双曲面齿轮和螺旋锥齿轮设计的统一几何计算方法,其特点是当偏置距E12较大时,它与准双曲面齿轮现行计算结果一致;当偏置距E12为零时,得到正确的螺旋锥齿轮几何参数;当E12较小时,计算误差很小.因此在锥齿轮CAD软件开发中,可将这两种锥齿轮甚至包括直齿锥齿轮统一处理.1 分度锥参数基本公式准双曲面齿轮与螺旋锥齿轮几何计算中最大的区别在于分度锥参数的确定方法.分析现行准双曲面齿轮几何计算公式可知,当偏置距E12趋近于零时,齿轮的偏置角η,ε,ε′也趋近于零,因而导致公式计算误差增大甚至失效.作者在分析过程中发现,虽然E12趋近于零时,齿轮的偏置角η,ε,ε′也趋近于零,但它们属于同阶无穷小.即极限和存在.令式中e1和e2为偏置角系数.根据偏置角系数,可给出分度锥参数基本公式为式中k为放大系数;上面这组基本公式不仅适合于准双曲面齿轮,也适合于螺旋锥齿轮,不会因E12=0而失效.2 分度锥参数的求解上面给出的基本公式是一组非线性方程组,其中有5个参数是在几何计算前确定的.根据传动和强度等要求先确定齿轮的偏置距E12,轴交角ζ=90°-Σ,齿轮齿数z1和z2,大齿轮中点端面模数mt2,小齿轮中点螺旋角β1.则上面基本公式中的已知参数为i12=z2/z1, r2=mt2z2/2,及E12,ζ,β1. 由于基本公式是非线性方程组,在此采用迭代法求解.即初选k和e1值,按下面步骤进行迭代:若|k*-k|≤ξ(由计算精度确定的某一小量),则可进行下面的迭代;否则改变k初值重新迭代.式中rc为刀盘半径. 若|k0-kc|>ξ,则改变e1初值重新迭代,直到|k0-kc|≤ξ为止.迭代完毕,便得到了所有的分度锥参数.然后根据齿宽、齿高系数、变位系数和齿根倾斜类型,按准双曲面齿轮的方法进行其它所有几何尺寸参数的计算.3 算例作者采用上面的统一公式和算法分别对准双曲面齿轮和螺旋锥齿轮两种情况进行了大量的计算分析.表1是偏置距E12=0的螺旋锥齿轮算例结果;表2是偏置距E12=30mm的准双曲面齿轮算例结果.大量的计算分析结果表明:当E12=0时,上面方法所确定的分度锥参数与现行螺旋锥齿轮几何计算结果一致;当E12≠0时,上面方法与现行准双曲面齿轮几何计算结果一致;特别是当E12非常小时,本方法所得结果比较精确.因此,可用上面方法将这两种锥齿轮的几何计算方法统一起来.这对CAD软件开发特别有利.表1 螺旋锥齿轮参数表2 准双曲面齿轮参数4 统一设计中的问题现行准双曲面齿轮和螺旋锥齿轮的标准参数,如模数、齿高系数、变位系数等都定义在大端.这对准双曲面齿轮会导致理论啮合节点偏离齿宽中点而与螺旋锥齿轮不同.因此建议将标准参数定义在齿宽中点,这样也可以与强度计算方法一致[3].此外,现行准双曲面齿轮标准参数中的螺旋角是小齿轮螺旋角,而标准参数中的模数是大齿轮端面模数.建议标准参数取大齿轮螺旋角和法向模数,这样更合理.5 结论大量算例和实际应用表明,作者提出的几何计算方法是可行的.作者已经根据此原理开发了CAD应用软件,并用于实际设计中.这样就使准双曲面齿轮和螺旋锥齿轮甚至直齿锥齿轮设计中的几何计算方法的统一有了依据.结果也在一定程度上揭示了准双曲面齿轮和螺旋锥齿轮理论上的本质联系.对锥齿轮的标准化、系列化和CAD技术也有一定的意义.。
齿轮传动系统的非线性冲击动力学行为分析_陈思雨
D+ ={(ti, xi, yi)xi >1, ·xi =yi}
(6)
假设初始值取在 Pi处 , 则轮齿经过短暂的运行之
后到达切换曲面 ∑ + -的 P0 点 , 本文忽略瞬态响应的影
响 , 以 P1 点为新的初始值 。则间隙系统的冲击映射结
构为 ,
∑ ∑ +
P1 P2 =P1 ※ P2 ∶ +
第 28卷第 4 期
Байду номын сангаас
振 动 与 冲 击 JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK
Vol.28 No.4 2009
齿轮传动系统的非线性冲击动力学行为分析
陈思雨1 , 唐进元 1 , 谢耀东2
(1.中南大学 机电工程学院 现代复杂装备设计与极端制 造教育部重点实验室 , 长沙 410083;2.株洲齿轮有限公司 , 株洲 412000)
1 2
c1 ω[
ann+an+2
(n+2)]
(11)
图 2 间隙系统的冲击示意图
当 xi >1时 , 映射路径只有 P1 P2和 P5 P6两种情形 , 除 了受初始条件的影响外 , 还跟齿轮系统的时变刚度 、摩
擦系数和载荷系数等参数有关系 。当 xi <1时 , 可能 出现的映射路径有 P7 P0 、 P3 P4 、 P9 P8和 P11 P10四种情 形 。此时映射跟初始条件 、摩擦系数及载荷系数等有
转动角速度 。
根据文献 [ 27] , 量纲一化的齿轮系统的运动方程
可以表示为 ,
·x· +c(t)·x+k(t)f(x) =F(t)
(1)
其中 , x为量纲一化的齿轮传动系统的动态传递误差 ;
准双曲面锥齿轮螺旋速度
准双曲面锥齿轮是一种高级的齿轮设计,它以其独特的结构在汽车驱动桥、工程机械、航空航天等领域中得到了广泛应用。
其主要特点是在保证一定离地间隙的前提下,主动锥齿轮的轴线可以相对于从动锥齿轮轴线进行偏移,这样的设计不仅可以降低主动锥齿轮和传动轴的位置,从而降低汽车的重心,提高行驶稳定性,还可以使得齿轮的工作更为平稳,提高齿轮的弯曲强度和接触强度。
准双曲面锥齿轮的螺旋速度是指齿轮在运行时齿面上每个点的线速度。
由于准双曲面锥齿轮的主动齿轮和从动齿轮轴线存在偏移,所以主动齿轮的螺旋角大于从动齿轮的螺旋角。
同时,由于齿面间的相对滑移量大,且齿面间的压力也大,齿面油膜容易被破坏,因此,准双曲面锥齿轮在运行时需要使用专门级别的齿轮油,以提高效率,减少摩擦,防止齿面迅速擦伤和磨损,降低主减速器的使用寿命。
准双曲面锥齿轮的螺旋速度与其模数、齿数、压力角等因素有关,具体数值需要根据齿轮的设计参数和运行条件进行计算。
同时,准双曲面锥齿轮的螺旋速度也会影响到齿轮的啮合性能,如啮合平稳性、噪音、振动等,因此,在齿轮设计和制造过程中,需要对这些因素进行综合考虑,以保证齿轮的运行性能和使用寿命。
摆线齿准双曲面齿轮实际齿面接触分析
摆线齿准双曲面齿轮实际齿面接触分析杜进辅;方宗德;高洪彪;张永振;赵国锐【摘要】In order to evaluate the meshing quality of real hypoid gear with cycloid tooth,firstly,the digital gear surfaces that exactly approximate real tooth surfaces are obtained by fitting the measured discrete points with non-uniform rational B-spline (NURBS)curve.Then,on the basis of space meshing theory,a tooth contact analysis (TCA)of digital gear surfaces is carried out,which provides contact patterns the same as the traditional rolling test and transmission error curves that can not be obtained fromthe traditional test.As a result,actual meshing informa-tion can be relatively fully reflected.Finally,the feasibility of the proposed method is verified through a comparison between digital gear surface TCA and rolling test of a high-speed axle gear pair.%为评估已加工的摆线齿准双曲面齿轮的啮合质量,基于实测齿面坐标点数据,用非均匀有理 B 样条(NURBS)曲面拟合离散点得到高度逼近真实齿面的数字化齿面,并依据空间啮合理论进行了数字化齿面的轮齿接触分析(TCA)。
[15] 准双曲面齿轮三维间隙非线性冲击特性分析_林腾蛟
参考文献:[1] 铃木日升.±} ªËª³ } ÇÓK *1k 位置a .精密工学会志(特集:自律移动体N 位置决a 技术),1999,65(10):1394~1397[2] 平野和夫. }ª³ } ÇÓK *1k 位置决a技术.精密工学会志(特集:自律移动体N 位置决a 技术),1999,65(10):1389~1393[3] 关启明,坂下英司.屋内移动ͼ£¨用N 超音波灯台r 用$?位置检出 ¦ÀN 开关.先端加工,1998,19(1):53~56[4] 俞竹青,那须康雄,中岛新一,等.超音波 Ó £¨r 用$?应范围位置检出 ¦ÀN 开关.精密工学会志,2001,67(5):764~769[5] 俞竹青.超音波 Ó £¨r 用$?应范围位置检出 ¦ÀN 开关H Â}³Ë¾«´ÅÌ} X N 应用:[博士学位论文].日本山形大学,2001(编辑 马尧发)作者简介:俞竹青,男,1962年生。
江苏工业学院(江苏省常州市 213016)机械工程系副教授、博士。
研究方向为机电控制、机器人。
发表论文10余篇。
那须康雄,男,1937年生。
日本山形大学(日本国米泽市 992-8510)工学部教授、博士研究生导师。
文章编号:1004-132Ú(2003)09-0727-04准双曲面齿轮三维间隙非线性冲击特性分析林腾蛟 副教授林腾蛟 李润方 郭晓东 王立华摘要:应用轮齿加载接触分析程序计算了承载下准双曲面齿轮的啮合性能,得到加载啮合时各轮齿的载荷分配。
高速重载齿轮的有限元分析
闪现温度主要和粘着撕伤相关, 而热变形则主要 和体积温度有关。这里主要考虑体积温度, 它着眼 于整体宏观的影响, 按稳态温度场处理。在轮齿啮 合过程中, 主要的热源是啮合表面的摩擦热, 内部 无其它热源。齿轮啮合时齿面间生成的摩擦热, 可 以看成是旋转一周中的平均输入热。单位时间内
单位面积上由于两物体相对滑动所产生的摩擦热
和动态响应。利用三维啮合弹塑性接触有限元方法对高速重载齿轮进行了接
触强度分析, 并基于热弹耦合进行了轮齿的修形计算, 得到轮齿的理想修形
曲线, 为高速重载齿轮动态设计提供了一种非常有效的方法。
关键词: 齿轮; 有限元法; 接触; 修形 中图分类号: TH 132 文献标识码: A
王立华 博士研究生
1 齿轮副的有限元模型
GSC390F 高速齿轮箱齿轮传动系统的高速、
的动态模拟. 中国机械工程, 1998, 9 (7) : 23~ 26 [ 2 ] 高慧敏, 曾建潮. 热连轧生产过程精轧机组的建模
与仿真. 系统仿真学报, 2000 (1) : 51~ 53 [ 3 ] Slm sek B H. D ynam ic Sim u la tion of D ua l- Con tin2
采用八节点四边形单元, 模型的单元数为 242, 节
点数为 844。轮齿的计算载荷为作用在小齿轮上
的转矩。利用自主开发的二维热弹接触有限元分
析程序进行计算, 图 4b 给出了轮齿的热弹变形 图, 虚线为变形前齿形轮廓。由图可知, 由于齿面 温 度的影响, 轮齿出现较大的膨胀。图 5a 为轮齿 的温度等值线, 最高齿面温度可达 8414℃, 工作 齿面和非工作齿面的温度差可达 25℃, 且由于摩
(a) 有限元网格 (b) 变形前后网格 图 2 四齿啮合有限元网格及变形前后网格
HFT准双曲面齿轮模拟分析与评价
HFT准双曲面齿轮模拟分析与评价叶绍仲(中国第一汽车集团公司技术中心基础研究部吉林长春 130011)摘要:准双曲面齿轮在汽车后桥总成开发中的重要性越来越受到开发者的重视,对齿轮的重量、传动的平稳性、承载能力、及寿命方面的要求也越来越高,本文用HFT 准双曲面齿轮传动的设计制造与分析系统提供的准双曲面齿轮有限元模型,用ABAQUS 软件模拟了在载荷作用下,准双曲面齿轮瞬态啮合过程,较好地获得了准双曲面齿轮的传动误差、齿面接触应力和齿根弯曲应力的瞬态变化过程。
关键词:HFT准双曲面齿轮有限元接触一、HFT准双曲面齿轮模拟分析:准双曲面齿轮,由于齿面是复杂的曲面,用通常的方法很难得比较精确的几何模型,更难得到比较精确的有限元模型,而要较准确地模拟分析这种复杂的曲面接触过程,对有限元模型的精确性要求是很高的,本文采用的有限元模型是由HFT准双曲面齿轮传动的设计与分析系统提供的比较准确的六面体有限元模型。
为了模拟分析准双曲面齿轮在载荷作用下的瞬态啮合过程,初始边界条件的正确建立是很重要的,初始边界条件主要包括初始速度和初始变形,初始速度是通过局部柱坐标,加给大、小轮上各节点的初始角速度实现的;初始变形是采用隐式静态计算使小轮和大轮在载荷作用下达到接触静平衡,此时大轮和小轮的变形可作为初始变形,由于瞬态过程是采用显式算法模拟分析的,故需要采用从隐式到显式的方法,将隐式静态计算的变形结果加给大轮和小轮,作为它们的初始变形。
建立好瞬态模拟的初始边界条件,才能避免瞬态模拟初始时,两接触齿面间由于缺少正确的接触应力(由初始变形算得)分布,而出现很大的撞击现象,使瞬态模拟失败。
隐式静态计算边界条件:小轮和大轮齿面间建立面面接触,对大轮内圈一层节点自由度完全约束,在小轮的转轴上建立一个点刚体,将小轮内圈一层节点自由度刚体约束到此点刚体上,并且使此点刚体仅保留对小轮转轴的转动自由度,在该点刚体上加输入载荷(驱动力矩)。
准双曲面螺旋锥齿轮三维建模
A b s t r a c t : Ac c o r d i n gh y p o i dg e a r p a i r s a c t u a l p r o c e s s i n gm e t h o d s t O g e rm a e s h i n gt h e o r y a n d d f i f e r e n t i lg a e o et m r yi s b a s e d o n t h e e s t a b l i s h m e n t o f m a c h i n e t o o l s t h r o u g h t h e u s e o f v ri a o u s c o m p o n e n t s o f t h e c o o r d i n a t e s y s t e m,t h e m o t i o n c o o r d i n t a e s y s t e m f o e ch a c o m p o n e n t i s e s t a b l i s h e d b y me ns a f o t h e ot m i o n r e l t a i o n s h i p b e t w e e n e ch a p a r t f o t h e ma c h i n e t o o l , nd a t h e t w o g e rt a o o t h s u r f ce a e q u t a i o n i s d e r i v e d b yt h e s e c o n d c o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o n . T h e p a r a m e t e r s o ft h e m a c h i n e t o o l nd a t h e t o o l re a d e t e r mi n e d b yt h e ct a u lp a r o c e s s , N u m e r i c l a c o m p u t i n g s o f t w r a e s i u s e dt o s o l v e t w og e r a s u r f ce a e q u ti a o na nda l l t h e p o i n t o ft o o t h s u f r ce a g r i d c o o r d i n t a e s i s c o l l e c t e d a n d t h e d a t a il f e s s i i n t r o d u c e d i n t o a 3 D m o d e l i n g s o t f w re, a h y p o i d ea g r p a i r ft o w o ea g r t h r e e - d i m e si n o n a l od m e l s re a e s t a b l i s h e d b y s u f r a c e od m el i n g c a p bi a l i t i e s .
第二讲准双曲面齿轮的设计
3. 确定大轮齿宽F
• 轮齿宽F选取可根据F≤0.3A0和F≤10m确定, 选二式中计算出的较小值。A0为当量弧齿锥齿 轮外锥距,m为端面模数。从理论上讲,增长 齿宽可增加轮齿的强度和寿命,但这样也将是 小端极度削弱,而且要求较小的刀顶宽和刀尖 圆角,对制造和减小齿根应力集中十分不利, 如果实际工况下使负荷集中在小端,反倒会使 轮齿加快破坏。
• 对卡车、拖拉机,大客车和铁路机车
E<20%当量锥齿轮的锥距
5. 小轮中点螺旋角
增大螺旋角可适度增大重合度,可使齿轮传 动更加平稳,降低噪音,但也不能过大,否 则齿轮所受轴向力过大,不利于系统整体性 能的提高。轿车、轻型车取较大值〉50 ; 重卡则取较小值45 。
与下式计算值不超过5,否则,达不到等强度。
3.准双曲面齿轮的设计过程
齿坯设计
调整参数计算
小轮加工机床调整 小轮加工
TCA
大轮加工机床调整 大轮加工
滚动检验
No
合格?
Yes 结束
准双曲面齿轮设计加工流程
4.常用的加工方法
• 通常情况下,以三个字母表示,如HGM、 HGT、HFM、HFT。
• 第一个字母表示被加工齿轮的类型— —H(Hypoid Gears)、S(Spiral Bevel Gears)
1.准双曲面齿轮副的基本几何
• 准双曲面齿 轮节锥是如 何形成的?
• 空间交错轴 的传动的相 对运动为何 种运动?
1.准双曲面齿轮副的基本几何
• 空间交错轴的传动的相对运动螺旋运动,其螺旋 轴线绕各齿轮轴线旋转即形成了单叶双曲面。
P
1.准双曲面齿轮副的基本几何
K2
•两轴线与P点的位置决定了传动的性质
3.极限压力角与压力角
齿轮系统时变刚度和间隙非线性振动特性研究_王立华
在 齿轮副的连续运转过程中 ,随着单齿对啮
合和双齿对啮合的交替进行 ,轮齿的啮合刚度会 随时间周期性变化 [4 ]。一般时变啮合刚度 k-( t-) 由
平均啮合刚度 km 和变刚度两部分组成 ,其中变刚
度部分用余弦函数表示 , ka 为变刚度幅值 ,keh 为
变刚度基频 ,hr 为变刚度初相位 ,一般取 hr = 0。当
王立华 博士研究生
齿轮传动系统是汽车传动系统的重要组成部 分 ,其动态特性直接影响汽车传动系统的可靠性。 为了保证良好的润滑和消除干涉现象 ,齿轮副在 设计时总是留有齿侧间隙 ,制造误差和磨损也会 使齿轮副产生齿侧间隙 ,而且轮齿的啮合刚度总 是随时间变化的。 具有齿侧间隙和时变啮合刚度 的齿轮系统将表现出强烈的非线性 ,这使得汽车 传动系统成为一种参数激励且具有时变刚度的间 隙非线性系统。 该系统在轻载或无载荷运转过程 中将会产生轮齿分离和冲击现象 ,这种冲击将会 导致剧烈的振动和产生强烈的噪声和动载荷 ,影 响 齿轮 传动的 平稳 性、 可靠 性和 寿命 。
大 学出版社 , 1983 [ 6] 曾韬 .螺旋锥齿轮 设计与加 工 .哈尔 滨: 哈 尔滨工业
大 学出版社 , 1989 (编辑 马尧发 )
作 者 简介: 李 小 清 , 男 , 1966 年 生。 华 中 科 技 大 学 (武 汉 市 430074)国家数控系统工程技术 研究中心博士研究生。 研究方向 为数控技术、齿轮加工。发表论文 5篇。周云飞 ,男 , 1956年生。华 中科技大学国家数控系统工程技 术研究中心教授、博士研究生导 师。王延忠 ,男 , 1963年生。华中科技大学国家数控系统工程技术 研究中心副教授、博士后研究人员。 易传云 ,男 , 1959年生。 华中 科技大学机械科学与工程学院副教授、博士后研究人员。
克林贝格准双曲面齿轮齿面建模及接触分析
克林贝格准双曲面齿轮齿面建模及接触分析杜进辅;方宗德;宁程丰;赵国锐;高洪彪【摘要】A mathematical model was proposed for the tooth surface generation of the Klingelnberg Cyclo⁃palloid hy⁃poid gear;the tooth surface, which includes the fillet and the tooth 3D model, was obtained. As the third compo⁃nent of the normal is not taken into account in the solution of TCA equations, TCA results may be geometrically in⁃correct;so an improved algorithm was proposed to avoid this situation. We used a new iterative method to calculate the boundaries and the major axes of the contact ellipses, thus avoiding the complicated derivation of the surface curvatures and the relative curvatures and reflecting the actual surface nature in the contact area. A new TCA and surface generation program was developed for Klingelnberg Cyclo⁃palloid hypoid gear. The feasibility of this method was verified through analyzing an existing example and comparing calculated results with test results for the same example in Ref.11( a technical book authored by Dong Xuezhu);we believe that this may serve as the foundation for Loaded TCA and stress analysis.%通过分析克林贝格制Cyclo⁃palloid摆线齿准双曲面齿轮的齿面展成过程,建立了包括齿根过渡曲面的全齿面模型,并据此生成了轮齿三维模型;针对过去轮齿接触分析( tooth contact analysis, TCA)数学模型未考虑法矢的第3个分量以及接触椭圆的计算需借助于对两配对齿面主曲率和相对曲率的复杂推导,提出了一种改进的TCA模型,避免了TCA结果可能出现的几何上不准确的情况,且对于接触椭圆的计算只需要知道两配对齿面的方程,因而避免了复杂的齿面曲率计算。
正交面齿轮传动非线性振动特性分析
LA e g io R N Xo g to I r n -a , A in — T j a
( tt K yL b rt yo c a i l rnmi i , h n qn nv r t , h n qn 0 0 0 C i ) Sa e a oa r f e o Meh n a T a s s o C o g i U i s y C o g i 4 0 3 , hn c sn g ei g a
隙、 轴承 间隙等 因素 的弯 一 扭耦 合非线性动力学模型 , 采用 4 ~ 5阶变步长 R neK t u g— ut a法对 系统的无量 纲动力 学微分方
程组进 行求解。计算结果表 明: 在不 同转 速时系统会出现单周期 非谐 响应 、 多周期 次谐响应 、 拟周期 响应 及混? 屯响应 , 并 伴 随着跳跃 现象 ; 随着 负载转矩 的增 大 , 系统 响应呈现 混沌 一多周期 次谐 一单周期非谐的变化趋势 , 轻载时齿轮 副易 出现 单边 和双边冲击现象 , 当载荷增 大到一定程度后齿轮副处于无 冲击状态 ; 摩擦系数较小时 , 系统非线性振 动特性影 响不 对 大, 当其逐渐增大 时 , 系统运动状态 由单周期经倍周期分叉 进入混沌运动。
h r o i, u s p r dcadca t so ssap a i mp g h n m nna df rn rt igsed ; h sos am nc q ai ei i n h o cr p ne p er t j i eo e o t iee to t e s ter pne — o i e w hu n p f an p e
进行模 拟 , 一般 将 其表示 为 :
et ( ): e 0+eCS t t+ , rO (O ) ^ () 2
考虑温度效应的斜齿轮时变啮合刚度解析算法
考虑温度效应的斜齿轮时变啮合刚度解析算法作者:林腾蛟赵子瑞江飞洋陈兵奎来源:《湖南大学学报·自然科学版》2020年第02期摘要:以斜齿轮副为研究对象,基于切片法和积分思想,计入齿面接触温度变化引起的齿廓形变,结合轮齿接触、弯曲、剪切、轴向压缩及基体弹性变形,提出了考虑温度效应的斜齿轮啮合刚度解析算法,并通过有限元法验证了算法的准确性. 分析了不同摩擦因数、输入转矩、输入转速等工况参数对斜齿轮啮合刚度的影响规律. 结果表明,考虑齿轮温升影响后,轮齿从啮入到啮出整个过程的啮合刚度均有所增大;随着摩擦因数、输入转矩和输入转速的增大,斜齿轮本体温度及啮合齿面瞬时闪温升高,单齿啮合刚度和综合啮合刚度均值呈增大趋势. 研究结果可为高速重载齿轮系统准确高效的动力学分析提供理论依据.关键词:斜齿轮;温度效应;时变啮合刚度;势能法中图分类号:TH132.41 文献标志码:AAbstract:Taking a helical gear pair as the research object,the analytic algorithm of time-varying mesh stiffness of helical gears with temperature was proposed based on slicing method and integral thought. In this algorithm,the tooth profile deformation caused by change of tooth contact temperature,elastic deformation of tooth contact,bending,shear,axial compression and the wheel were taken into account. The accuracy of the algorithm was verified by using finite element method. Then the influence of working parameters,such as friction coefficient,input torque and input speed,on the mesh stiffness of gears was analyzed. The results show that the mesh stiffness of teeth increases in the whole meshing process after considering the influence of temperature. Besides,the body temperature and instantaneous flash temperature of helical gears increase with the increase of friction coefficient,input torque and input speed,so the single mesh stiffness and the mean of total mesh stiffness increase. The research results can provide a theoretical basis for accurate and efficient dynamic analysis of the high-speed and heavy-duty gear system.Key words:helical gears;temperature effect;time-varing mesh stiffness;potential energy method齿轮系统作为机械装置中最为广泛的动力和运动传递形式,正朝着大功率、高转速、低噪声和轻量化方向发展. 在高速重载工况下,由于啮合齿面相对滑动速度大,瞬时温升高,直接影响齿轮系统内部的温度分布,引起结构热应力及热变形,进而对齿轮啮合刚度产生较大影响,而准确高效的啮合刚度计算方法又是齿轮系统动力学分析的关键. 因此,综合考虑温度影响,开展斜齿轮时变啮合刚度解析算法研究,对高速重载齿轮系统动力学设计有着重要的工程意义.近年来,对于齿轮系统时变啮合刚度的研究非常活跃. 在解析算法方面,Cui等[1]、Chaari等[2]和Liang等[3]基于材料力学理论,运用势能法计算了直齿轮的啮合刚度;在直齿轮啮合刚度算法的基础上,Wan等[4]提出了一种累积积分势能法计算斜齿轮的啮合刚度,并研究了齿轮参数与齿根裂纹对啮合刚度的影响;万志国等[5]、刘文等[6]考虑了基圆与齿根圆不重合的问题,运用势能法分别提出了求解直齿轮及斜齿轮啮合刚度的改进算法. 在有限元法方面,Cooley等[7]、Liang等[8]提出了多種基于有限元法的直齿轮时变啮合刚度计算方法,并评估了各种方法的应用条件及优缺点;Fernandez等[9-10]和Ma等[11]综合考虑加工误差、齿顶修形或齿轮摩擦等非线性因素,采用有限元法与弹性接触理论相结合的方式,计算了直齿轮的时变啮合刚度. 在考虑温度效应方面,苟向锋等[12]建立了由齿面接触温度变化引起直齿轮齿廓形变的数学表征,而后基于Hertz接触理论研究了接触温度对直齿轮啮合刚度的影响;罗彪等[13]基于石川模型,将轮齿齿廓简化为由梯形和矩形组成的当量齿形,综合考虑温度对直齿轮刚度的影响,引入了热刚度的概念,并提出了一种直齿轮热刚度的解析算法,计算结果与有限元法基本吻合. 目前有关考虑温度效应的齿轮啮合刚度研究已取得一定的成果,但有限元法计算规模较大,解析法仅针对直齿轮开展了相关研究,关于考虑温度效应的斜齿轮时变啮合刚度解析算法鲜有报道.在上述研究成果的基礎上,本文以斜齿轮副为研究对象,提出一种考虑温度效应的斜齿轮啮合刚度解析算法. 将轮齿简化为齿根圆上的变截面悬臂梁,基于切片法和积分思想,在考虑基圆与齿根圆不重合因素的同时,计入齿面接触温度变化引起的轮齿齿廓形变,以确保啮合刚度计算结果准确性;而后分析摩擦因数、输入转矩、输入转速等工况参数对斜齿轮啮合刚度的影响规律.1 考虑热变形的斜齿轮端面齿廓方程1.1 斜齿轮基体热变形斜齿轮副达到热平衡状态后,本体温度场基本稳定,但各处温度非均一. 对于齿轮基体,尽管本体温度场稳定,但与轮齿相固联的基体部分温度不同,因此将斜齿轮基体温度场处理为无内热源稳态非均匀温度场,其在柱面坐标系下的导热微分方程为[14]:5 结论1)将轮齿简化为齿根圆上的变截面悬臂梁,计入齿面接触温度变化引起的轮齿齿廓形变,基于势能法提出了一种考虑温度效应的斜齿轮啮合刚度解析算法,通过与有限元法计算结果对比分析,验证了解析算法的准确性,提升了斜齿轮啮合刚度的计算效率.2)考虑斜齿轮温升影响后,轮齿从啮入到啮出整个过程的啮合刚度均有所增大. 对于单齿啮合刚度,在啮入和啮出端增大量较小,在节点附近增大量较大.3)通过不同摩擦因数、输入转矩、输入转速等工况参数对斜齿轮啮合刚度的影响分析,得出考虑温度效应后单齿啮合刚度及综合啮合刚度均值均随上述工况参数的增大而增大,其中输入转矩对啮合刚度的影响最大.参考文献[1] CUI L L,ZHAI H,ZHANG F B. Research on the meshing stiffness and vibration response of cracked gears based on the universal equation of gear profile[J]. Mechanism and Machine Theory,2015,94:80—95.[2] CHAARI F,FAKHFAKH T,HADDAR M. Analytical modelling of spur gear tooth crack and influence on gear mesh stiffness[J]. European Journal of Mechanics- A/Solids,2009,28(3):461—468.[3] LIANG X H,ZUO M J,PANDEY M. Analytically evaluating the influence of crack on the mesh stiffness of a planetary gear set[J]. Mechanism and Machine Theory,2014,76:20—38.[4] WAN Z G,CAO H R,ZI Y Y,et al. Mesh stiffness calculation using an accumulated integral potential energy method and dynamic analysis of helical gears[J]. Mechanism and Machine Theory,2015,92:447—463.[5] 万志国,訾艳阳,曹宏瑞,等. 时变啮合刚度算法修正与齿根裂纹动力学建模[J]. 机械工程学报,2013,49(11):153—160.WAN Z G,ZI Y Y,CAO H R,et al. Time-varying mesh stiffness algorithm correction and tooth crack dynamic modeling[J]. Journal of Mechanical Engineering,2013,49(11):153—160. (In Chinese)[6] 刘文,李锐,张晋红,等. 斜齿轮时变啮合刚度算法修正及影响因素研究[J]. 湖南大学学报(自然科学版),2018,45(2):1—10.LIU W,LI R,ZHANG J H,et al. Study on correction algorithm of time-varying mesh stiffness of helical gears and its influencing factors [J]. Journal of Hunan University(Natural Sciences),2018,45(2):1—10. (In Chinese)[7] COOLEY C G,LIU C G,DAI X,et al. Gear tooth mesh stiffness:A comparison of calculation approaches[J]. Mechanism and Machine Theory,2016,105:540—553.[8] LIANG X H,ZHANG H S,ZUO M J,et al. Three new models for evaluation of standard involute spur gear mesh stiffness [J]. Mechanical Systems and Signal Processing,2018,101:424—434.在上述研究成果的基础上,本文以斜齿轮副为研究对象,提出一种考虑温度效应的斜齒轮啮合刚度解析算法. 将轮齿简化为齿根圆上的变截面悬臂梁,基于切片法和积分思想,在考虑基圆与齿根圆不重合因素的同时,计入齿面接触温度变化引起的轮齿齿廓形变,以确保啮合刚度计算结果准确性;而后分析摩擦因数、输入转矩、输入转速等工况参数对斜齿轮啮合刚度的影响规律.1 考虑热变形的斜齿轮端面齿廓方程1.1 斜齿轮基体热变形斜齿轮副达到热平衡状态后,本体温度场基本稳定,但各处温度非均一. 对于齿轮基体,尽管本体温度场稳定,但与轮齿相固联的基体部分温度不同,因此将斜齿轮基体温度场处理为无内热源稳态非均匀温度场,其在柱面坐标系下的导热微分方程为[14]:5 结论1)将轮齿简化为齿根圆上的变截面悬臂梁,计入齿面接触温度变化引起的轮齿齿廓形变,基于势能法提出了一种考虑温度效应的斜齿轮啮合刚度解析算法,通过与有限元法计算结果对比分析,验证了解析算法的准确性,提升了斜齿轮啮合刚度的计算效率.2)考虑斜齿轮温升影响后,轮齿从啮入到啮出整个过程的啮合刚度均有所增大. 对于单齿啮合刚度,在啮入和啮出端增大量较小,在节点附近增大量较大.3)通过不同摩擦因数、输入转矩、输入转速等工况参数对斜齿轮啮合刚度的影响分析,得出考虑温度效应后单齿啮合刚度及综合啮合刚度均值均随上述工况参数的增大而增大,其中输入转矩对啮合刚度的影响最大.参考文献[1] CUI L L,ZHAI H,ZHANG F B. Research on the meshing stiffness and vibration response of cracked gears based on the universal equation of gear profile[J]. Mechanism and Machine Theory,2015,94:80—95.[2] CHAARI F,FAKHFAKH T,HADDAR M. Analytical modelling of spur gear tooth crack and influence on gear mesh stiffness[J]. European Journal of Mechanics- A/Solids,2009,28(3):461—468.[3] LIANG X H,ZUO M J,PANDEY M. Analytically evaluating the influence of crack on the mesh stiffness of a planetary gear set[J]. Mechanism and Machine Theory,2014,76:20—38.[4] WAN Z G,CAO H R,ZI Y Y,et al. Mesh stiffness calculation using an accumulated integral potential energy method and dynamic analysis of helical gears[J]. Mechanism and Machine Theory,2015,92:447—463.[5] 万志国,訾艳阳,曹宏瑞,等. 时变啮合刚度算法修正与齿根裂纹动力学建模[J]. 机械工程学报,2013,49(11):153—160.WAN Z G,ZI Y Y,CAO H R,et al. Time-varying mesh stiffness algorithm correction and tooth crack dynamic modeling[J]. Journal of Mechanical Engineering,2013,49(11):153—160. (In Chinese)[6] 刘文,李锐,张晋红,等. 斜齿轮时变啮合刚度算法修正及影响因素研究[J]. 湖南大学学报(自然科学版),2018,45(2):1—10.LIU W,LI R,ZHANG J H,et al. Study on correction algorithm of time-varying mesh stiffness of helical gears and its influencing factors [J]. Journal of Hunan University(Natural Sciences),2018,45(2):1—10. (In Chinese)[7] COOLEY C G,LIU C G,DAI X,et al. Gear tooth mesh stiffness:A comparison of calculation approaches[J]. Mechanism and Machine Theory,2016,105:540—553.[8] LIANG X H,ZHANG H S,ZUO M J,et al. Three new models for evaluation of standard involute spur gear mesh stiffness [J]. Mechanical Systems and Signal Processing,2018,101:424—434.。
准双曲面齿轮动态啮合性能的有限元分析研究
t t i a sed a t o tnl pd c ae, h f ec o t m a hneo ednmcm s n h r ao lpe ; s h r aoa sedi r s t i une fh s el dcag nt ya i e ig e o tn e ti n e s en l e a o h h
a b iusi fu n e o h h r ce itc ft e h p i e r n d n mi s i g,a d t n u n e o a sr l td t n o v o n e c n t e c a a trsi so h y od g a s i y a c me h n l n he if e c fl d i ea e o l o
关键词 : 准双曲面齿轮; 动态啮合; 非线性动力分析; 有限元方法
中 图分 类 号 :T 3 H12 文 献 标 识 码 :A
Fi t lm e n l Ss f r d n m i e h n f a p i fh po d e r nie e e nta a y i o y a c m s i g o a r o y i g a s
s ea aot n imsnc aes s e ssdTeorttyh ett to l e s p d nldnh d a c e i &cri rdc s .h c ts u o dh a n eh e do ey m hgh ticw eiue t na d sw ar t a p d a s oi s
振Leabharlann 第3 0卷第 7期 动 与
冲 击
J OURNAL OF VI BRAT ON I AND HOCK S
准双 曲面齿轮动态啮合性能的有 限元分析研究
准双曲面齿轮参数化设计的CAD程序开发
准双曲面齿轮参数化设计的CAD程序开发
王小林;谢刚;马雪洁
【期刊名称】《机械传动》
【年(卷),期】2005(29)4
【摘要】针对准双曲面齿轮设计计算公式多,三维建模烦琐费时且精度低的现状,开发了准双曲面齿轮参数化设计CAD软件,能优化设计齿轮几何参数、创建三维实体模型、输出常用CAD/CAM软件支持的标准文件、输出ANSYS有限元分析建模命令文件。
给出了计算实例,输出IGES和STL文件可成功导入Pro/Engineer软件,输出命令文件读入ANSYS,可得到较理想的有限元分析模型。
【总页数】4页(P23-25)
【关键词】准双曲面齿轮;参数化设计;CAD软件;程序开发;Pro/Engineer软
件;ANSYS有限元分析;CAD/CAM;有限元分析模型;三维实体模型
【作者】王小林;谢刚;马雪洁
【作者单位】华中科技大学CAD中心;河南理工大学机械工程系;焦作大学
【正文语种】中文
【中图分类】TH132.415;TP391.72
【相关文献】
1.车用准双曲面齿轮CAD系统开发 [J], 石佳良;单鹏;蔡振巍
2.准双曲面齿轮CAD系统的设计与实现 [J], 魏冰阳;周彦伟;邓效忠;方宗德
3.准双曲面齿轮CAD系统开发 [J], 魏冰阳;周彦伟;方宗德;邓效忠
4.弧齿准双曲面齿轮CAD集成系统开发 [J], 胡莲君;宋弘
5.准双曲面齿轮齿坯CAD/CAM集成系统 [J], 杨志传;邓效忠
因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
参考文献:[1] 铃木日升.±} ªËª³ } ÇÓK *1k 位置a .精密工学会志(特集:自律移动体N 位置决a 技术),1999,65(10):1394~1397[2] 平野和夫. }ª³ } ÇÓK *1k 位置决a技术.精密工学会志(特集:自律移动体N 位置决a 技术),1999,65(10):1389~1393[3] 关启明,坂下英司.屋内移动ͼ£¨用N 超音波灯台r 用$?位置检出 ¦ÀN 开关.先端加工,1998,19(1):53~56[4] 俞竹青,那须康雄,中岛新一,等.超音波 Ó £¨r 用$?应范围位置检出 ¦ÀN 开关.精密工学会志,2001,67(5):764~769[5] 俞竹青.超音波 Ó £¨r 用$?应范围位置检出 ¦ÀN 开关H Â}³Ë¾«´ÅÌ} X N 应用:[博士学位论文].日本山形大学,2001(编辑 马尧发)作者简介:俞竹青,男,1962年生。
江苏工业学院(江苏省常州市 213016)机械工程系副教授、博士。
研究方向为机电控制、机器人。
发表论文10余篇。
那须康雄,男,1937年生。
日本山形大学(日本国米泽市 992-8510)工学部教授、博士研究生导师。
文章编号:1004-132Ú(2003)09-0727-04准双曲面齿轮三维间隙非线性冲击特性分析林腾蛟 副教授林腾蛟 李润方 郭晓东 王立华摘要:应用轮齿加载接触分析程序计算了承载下准双曲面齿轮的啮合性能,得到加载啮合时各轮齿的载荷分配。
应用轮齿啮合原理,开发了准双曲面齿轮网格自动建模程序,建立了轮齿动力接触有限元分析模型。
采用动力接触问题有限元混合解法,对准双曲面齿轮传动的初速冲击和突加载荷冲击特性进行了数值仿真,分析了齿侧间隙对轮齿冲击特性的影响。
开发的程序系统已成功地应用于工程实际问题。
关键词:准双曲面齿轮;啮合分析;动力接触;有限元法中图分类号:TH132 文献标识码:A准双曲面传动系统是一种参数激励且具有时变刚度的间隙非线性系统,其中存在着复杂的局部共轭齿轮传动副力学建模、准双曲面齿轮轮齿接触分析、加载接触分析、复杂空间啮合轮齿三维接触有限元分析模型建立、直接积分法用于动力接触问题的修正方法以及准双曲面齿轮三维冲击动力接触数值仿真等关键技术问题。
1 准双曲面齿轮切齿计算及轮齿加载接触分析在准双曲面齿轮切齿计算中,先根据大轮切齿调整参数确定大轮齿面的几何结构。
大轮采用滚切法切齿时,大轮齿面是由刀盘在与大轮的相对滚切运动中展成的,其几何关系见图1,2r ={O r ,i r ,j r ,k r }为描述右旋构件切齿过程的坐标系,2cr ={O cr ,i cr ,j cr ,k cr }为描绘加工右旋构件收稿日期:2002)01)02基金项目:国家自然科学基金资助项目(50075088);中国博士后科学基金资助项目图1 大轮切齿的坐标系及几何关系的刀盘(产形面)的坐标系。
在2cr 坐标系中,产形面的几何特征可用下式表示:u (cr )cr =(sin i sin j ,-sin i cos j ,-cos i )R (cr )cr =R cr (-cos i sin j ,cos i cos j ,-sin i )n (cr )cr =(cos 5r sin j ,-cos 5r cos j ,-sin 5r )t (c r )cr =(-sin 5r sin j ,sin 5r cos j ,-cos 5r )(1)式中,u (cr )c r 为和产形面共线的单位矢量;R (cr )cr 为刀尖P 点#727#准双曲面齿轮三维间隙非线性冲击特性分析)))林腾蛟 李润方 郭晓东等径矢;n (cr )cr 、t (cr )c r 分别为产形面在过刀尖P 点母线上的单位法矢和切矢;i 、j 分别为基本刀倾角和刀倾方向角;5r 为过刀尖P 点的产形面母线和摇台轴线的夹角。
大轮齿面上任意一点P 的径矢R (r )r ,法矢n(r )r和切矢t(r )r的计算公式为R (r )r=D (r )rr +A (r )cr -b tr t (r )rD (r )rr =M (#m )jr (X r p r +X br k r +E m r j r )A (r )cr =M (#m )jr [S r +M (q r )kr M (u (cr )cr ,H c r )M (-j )kr M (i )ir R (cr )cr ]n (r )r =M (#m )jr M (q r )kr M (u (cr )c r ,H cr )M (-j )kr M (ir )ir n (cr )crt (r )r=M (#m )jr M (q r )kr M (u (cr )c r,H cr )M (-j )kr M (i )ir t (cr )cr(2)式中,D (r )rr 为右旋构件轴线的轴交错点到2r 的原点O r 的径矢;b tr 为从刀尖沿tr 的反向到瞬时接触点的距离;X r 、E m r 分别为轴向和垂直轮位调整值;X br 为床位调整值;M (q r )ir 为绕坐标轴i r 旋转q r 角的变换矩阵;M (u (cr )cr ,H cr )为绕矢量u (c r )cr 旋转H cr 角的变换矩阵;H c r 为P 点所在刀盘轴截面的相位角;p r 为右旋构件轴线上的单位矢量;S r 为O cr 点在切齿坐标系中的径矢。
小轮齿面计算点坐标可由大小轮安装位置的几何关系确定,见图2。
齿面的接触区中心C 可任图2 大小轮坐标系的关系意指定,大小轮齿面在C 点共轭,当大轮转角为B 时,共轭接触条件为R l =R r +R 0V rl #n r =0(3)即R r =M (i r ,B )R (r )r R 0=E j rn r =M (i r ,B )R (r )r V rl =P r @R r -p l @R l p r =-i r p l =Nn(cos 2,0,sin 2)(4)式中,2为大小轮的轴交角;E 为小轮的偏置量;N 、n 为大小齿轮的齿数;p l 为左旋构件轴线上的单位矢量。
则小轮齿面计算点C 处的径矢R (l )l ,法矢n (l )l和切矢t (l )l 的计算公式为R (l )l =M (-2)j r R l n (l )l =M (-2)j r n lt (l )l =M (-2)jr M (i r ,B )t (r )r (5)求解上述矢量方程并按照当点C 处两齿面的法向距离小于某设定值即相互接触这一假定,便可得到接触区,并确定传动误差及大轮相对于小轮的瞬时角加速度。
根据小轮齿面计算点位置以及该点的法矢和曲率参数便可求得各种切齿法的切齿调整参数[1,2]。
在加载接触分析(LTC A)中必须考虑受载后轮齿本身和支承系统的变形,考虑边缘接触以及多齿啮合情况。
为此首先把引起啮合齿面相对位置变化的支承系统变形转化为当量的齿轮副安装微调量V 、H 、J 。
其中V 为齿轮副垂直安装偏距的微调量,H 为小轮的名义轴向安装位置微调量,J 为小轮的名义安装位置沿大轮轴向方向的微调量。
按轮齿接触分析(TC A)确定角位移传动误差$H ra ,然后按假定的载荷分配用Westing House 悬臂梁公式确定轮齿弯曲变形$H rb ,用Hertz 公式确定接触变形$H rc ,则第i 对轮齿的总传动误差为$H ri =$H ra +$H rb +$H rc(6)齿间载荷分配必须满足角位移协调原则M n 1+M n 2+,+M nk =M n $H r 1=$H r 2=,=$H rk(7)M ni =R li F i cos A ti(8)式中,k 为同时啮合齿对数;M n 为主动轮轴上的扭矩;R li 为第i 对轮齿啮合点半径;F i 为第i 对轮齿承担的法向载荷;A ti 为第i 对轮齿啮合点的法向载荷与切向的夹角。
联立求解式(6)~式(8),可得各对轮齿的法向载荷。
根据上述方法对某汽车准双曲面齿轮轻载和受载情况进行轮齿接触分析。
轮齿参数如下:模数10mm,小轮齿数6,大轮齿数38,大轮齿宽48mm,偏置距38mm,螺旋角49.52b ,大小轮压力角和45b ,小轮扭矩2500N #m 。
图3给出了轻载以及加载500N #m 、1500N #m 、2500N #m 时准双曲面齿轮接触区图形,图中1~3分别为即将进入啮合轮齿对、当前啮合轮齿对和已退出啮合轮齿对的无载传动误差曲线,4为承载后综合传动误差曲线。
2 准双曲面齿轮接触有限元分析模型准双曲面齿轮轮齿离散化模型的自动生成算法是用矢量法建立的,其中齿面加载后可能接触#728#中国机械工程第14卷第9期2003年5月上半月图3准双曲面齿轮接触区及加载运动曲线区域由轮齿加载接触分析提供。
首先在齿轮轴截面内建立一个二维齿面坐标系。
根据轮齿加载啮合分析结果,在齿面坐标系中给出合适的网格使在理论接触点区域内有较多的节点。
将节点在齿 图4 准双曲面齿轮有限元网格面坐标系中的坐标变换成柱坐标系中的分量,再利用TCA 法求点的齿面参数,最后求该点的整体坐标系下的坐标。
而对轮齿基体部分的网格可采用一般的自动生成算法[3]。
图4给出了准双曲面齿轮轮齿啮合的有限元网格。
3 冲击-动力接触问题有限元混合解法轮齿冲击-动力接触问题的动力方程为M i &u i (t )+C i u #i (t )+K i (t )u i (t )=P i (t )+F i (t ) (i I p ,g )(9)式中,M i 、C i 、K i 分别为主被动轮的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;P i (t )和F i (t )分别为主被动轮的外载荷矢量和接触力矢量;u i (t )、u #i (t )、&u i (t )分别为主被动轮的位移矢量、速度矢量和加速度矢量。
式(9)的求解方法采用Newmark-B 法,假定在时间区间t ~t +$t 内某点的加速度作为整个区间的实际加速度,可以得到仅含有位移矢量u i (t +$t )的动力接触有限元方程[4]K i u i (t +$t )= P i (t +$t )+R i (t +$t )(10)式中, K i 为有效刚度矩阵; P i (t +$t )为有效载荷矢量。