内平动齿轮传动仿真研究_魏武涛

用后处理器和时间历程后处理器。本文对齿 轮进行的是静态分析。采用通用后处理器对 求解结果进行后处理。通过彩色云图显示应 变的分布，以不同颜色表示不同范围的应力 值。形象逼真地表现了齿轮内部的应变分布 情况。如图 3 所示为所设计的内平动齿轮传 动在本文载荷作用下的应变分布云图。
图 3 内平动齿轮传动变形图 4.结论 在内平动齿轮传动中，实际接触齿数大 于理论啮合齿数，啮合由单齿接触变为多齿 接触，必然会使齿轮传动的平稳性增大，承载 能力提高。正如本章所述，主要接触的两对 轮齿只承受了不到一半的载荷，所以应合理 进行尺寸设计、选择材料，避免造成不必要的 盈余。由于轮齿变形和内齿轮变形，可能会 发生轻微碰撞，产生振动和噪音问题。这又 说明多齿接触有其不利的一面，如何能更好 得将实际接触齿数与传动平稳性的关系控制 在合理的范围内，将是欲待解决的问题。内 平动齿轮传动与普通行星齿轮传动的不同点 在于其三个外齿轮在轴向上处于不同位置， 内齿轮受到的作用力不能平衡，将产生翻转 力矩。在内平动齿轮减速器运转时力矩的方 向连续变化，会对齿轮减速器的输出轴、输入 轴产生影响，带来振动和变形。合理的解决 此问题将更好的改善内平动齿轮传动的性 能，例如在内齿轮与机体间添加滑动轴承。 参考文献： 1、王富耻，张朝晖，ANSYS10.0 有限元 分析理论与工程应用，北京：电子工业出版 社，2006。 2、王庆五，左昉，胡仁喜，ANSYS10.0 机 械设计高级应用实例，北京：机械工业出版 社，2006。 3、周昌玉，贺小华，有限元分析的基本方 法及工程应用，北京:化学工业出版社，2006。 4、P.Velex and L.Flamand. Dynamic Response of Planetary Trains to Mesh Parametric Excitations. Journal of Mechanical Design , 1996,Vol.118 作者简介：魏武涛；单位：陕西法士特汽 车传动集团；学历：大学本科；职称：高级工程 师；研究方向：重型汽车变速器 （作者单位：陕西法士特汽车传动集团）
比较流行的 3D 设计软件有，SOLIDWORKS、PRO/E、UG 等。笔者就利用 PRO/ E 软件进行齿轮虚拟设计。对在虚拟环境下 实现齿轮的精确建模与装配方法进行了研 究。
2.1 外齿轮精确建模 首先在 Pro/E 中新建一个零件模块。在 模板的选用中注意应选择 “mmns_part_solid”。并且各零件模型和装配模型应一致，否 则会造成单位上的不一致，使装配无法进行。 在主菜单中依次选择“工具”“, 关系”选项，系 统将自动弹出“关系”对话框。在对话框中将 齿轮的各参数依次添加到参数列表框中。 绘制齿轮基本圆，在草绘状态下，绘制出 分度圆，齿顶圆，齿根圆。 创建齿轮关系式。在主菜单中依次选择 “工具”“, 关系”选项，在关系对话框中添加齿 轮的几何尺寸关系。 创建齿轮齿廓线。在菜单中依次选择 “曲线选项”“, 从方程”“, 完成”选项，系统弹 出“曲线：从方程”对话框。根据系统提示，在 模型窗口中选择“PRT_CSYS_DEF”坐标系， 并定义为笛卡儿坐标。 创建齿廓镜像平面。渐开线建立之后，为 保证所建立齿轮的对称性，建立一个镜像平面 就尤为重要了。对于非变位齿轮它在分度圆 处的齿厚和槽宽是相等的。所以镜像平面的 旋转角度等于三百六十度除以二倍的齿数。 镜像渐开线。在工作区中选择创建的渐 开线齿廓曲线，以 DTM2 为镜像平面。完成 另一侧轮廓线的创建。通过创建的轮廓线建 立轮齿的草图，利用拉伸特征创建第一个齿 槽。通过圆周阵列操作生成其余齿槽。最后 生成外齿轮。 2.2 内齿轮精确建模 在 Pro/E 中新建一个零件模块，模板选 用“mmns_part_solid”。在主菜单中依次选择 “工具”，“关系”选项，系统将自动弹出“关系” 对话框。在对话框中将齿轮的各参数依次添 加到参数列表框中。 绘制齿轮基本圆，在草绘状态下，绘制出 分度圆,齿顶圆,齿根圆。
（上接 127 页） 后，其内、外齿廓之间间隙非常小。在传 递载荷过程中，轮齿的变形要大于一部分齿 间间隙。这些齿对就要发生接触并同时分担 载荷。这就增大了啮合齿数，提高了整个齿 轮传动装置的平稳性和承载能力。因此，研 究内平动齿轮减速器在传动时实际接触齿对 数、齿间载荷的分配及齿面载荷分布规律等， 对内平动齿轮减速器承载能力的估算、齿轮 几何参数的确定及零部件的强度计算具有重 要意义。 将 Pro/ E 中构建的内齿轮的三维实体模 型利用 IGES 格式导入 ANSYS 后，根据实际 齿轮传动中承受的载荷状态，对齿轮的应力 场进行有限元仿真分析，确定齿轮的最大应 变和位置，分析所设计的齿轮结构参数及选 用的材料是否满足使用要求，以此为基础实 现对齿轮设计的改进。 本文中内平动齿轮减速器的传动比 i = 66.78，输入转速 n = 1440r min ，功率 P = 4kw， 输出转矩为 1771.6Nm，每个外齿轮作用于内 齿轮的转矩为 590Nm，有限元模型的求解不 是目的，求解得出的数学模型的计算结果才是 所关心的。ANSYS 提供了两个后处理器：通
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内平动齿轮传动仿真研究
【摘 要】本文阐述了基于精确建模 的内平动齿轮传动的设计方法,介绍了具 体的设计原理，结合有限元方法进行了 内平动齿轮传动的弹性动力学分析，对 轮齿啮合变形及内齿轮变形进行了计 算，得出了轮齿啮合变形量及载荷分配 比例，分析了其对传动性能的影响。
创建圆环体。通过镜像建立与齿顶圆相 切的半径相同的圆，再建立与齿根圆相切的 半径相同的圆。再经过拉伸创建圆环体。
创建镜像平面，首先找出渐开线曲线与 分 度 圆 的 交 点，通 过 该 交 点，做 出 平 面 DTM1，再做出齿隙的中心对称面 DTM2, 其 做法与外齿轮相同。然后通过该中心面镜像 生成组成齿隙轮廓的另外一根渐开线曲线， 最后通过拉伸切除功能切除齿隙。
【关键词】内平动齿轮传动, 仿真分 析,平稳性
1.前言 平动齿轮传动机构是一种全新的齿轮传 动形式，平动齿轮传动机构，实质上是由连杆 机构和齿轮机构组合而成的组合机构。通常 由一对齿轮组成啮合齿轮副，在齿轮啮合传 动中一个齿轮做定轴转动，另一个齿轮随连 杆机构做平动。通常情况下，平动齿轮做主 动件，定轴转动齿轮做从动件。做平动的齿 轮可以是内齿轮，也可以是外齿轮。平动齿 轮机构可以是内啮合传动，也可以是外啮合 传动。 内平动齿轮传动是内齿轮做定轴转动， 外齿轮做平动。由于做平面运动的是齿轮啮 合当中内部的外齿轮，因此将这种传动形式 称为内平动齿轮传动。平动齿轮传动相对于 少齿差传动起步晚，由于对平动齿轮传动的 研究还不够深入，因此不论是对传动机理和 运动平稳性都不够规范。对于平动齿轮传动 的分类上，有人将外平动齿轮传动归类于少 齿差传动范畴，而将内平动齿轮传动视为少 齿差传动的同形异性机构。但不管如何都说 明平动齿轮传动与少齿差传动机构间的关联 关系。内平动齿轮传动机构相对于其他种类 的齿轮传动机构有传动平稳，效率高、传动比 大、承载能力高等特点，因此可以应用在对传 动性能有特殊要求的领域来广泛替代传统的 齿轮传动。 内平动齿轮传动是一种全新的齿轮传动 形式，相对于定轴齿轮传动和蜗杆传动有很 大的优势，其传动比大、效率高、结构紧凑，在 设备中有很大的应用前景。 影响内平动齿轮传动平稳性的因素主要 有：加工误差、齿廓曲线误差、重合度等。由 于啮合过程中轮齿和内齿轮的变形，原有的 齿廓曲线、重合度都会发生改变，因此这时两 齿轮的轮齿可能会有多个接触点，啮合点也 可能会偏离理论啮合线，原有的齿侧间隙也 会改变。这必然会影响传动的平稳性。本文 是基于这样的考虑，从具体要求和实际条件 出发，结合计算机技术，采用有限单元法来分 析内平动齿轮传动中的轮齿和内齿轮的变 形。分析其啮合变形对传动平稳性的影响， 为改善传动平稳性提供理论依据，从而提高 设计质量，促进内平动齿轮传动的推广和应
70 39.3 9.68
70.0 39.3 10.6
75 55 9.55
75.0 55 10.8
78.3 65 10
臂长 30.5 米未经调整时记录数据
向上变幅
向下变幅
角度
额定 重量
显示 重量
砝码 质量
角度
额定 重量
显示 重量
砝码 质量
30.1 3.87 6.35 7.0 35.0 4.01 6.56 7.0
用。 2. 内平动齿轮传动的建模 传统的齿轮传动设计方法相当复杂，设
计周期长，工作量大。设计过程重复，工作效 率低。在齿轮装配环节，也是仅仅在理论上 进行可行性装配计算。对于装配过程中可能 出现的问题无法预知，可视性差；当齿轮的某 一参数改变时，整个设计过程都要跟着改变， 设计智能化低。因此，利用计算机技术实现 齿轮的参数化、智能化设计和虚拟装配是非 常必要的。
（下转 149 页）
2009.4 CHINA EQUIPMENT 127
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起重臂长 12.2 米
向上变幅
向下变幅
角度
额定 重量
显示 重量
力Βιβλιοθήκη Baidu %比
角度
额定 重量
显示 重量
力矩 %比
30.1 13.3 9.42
29.0 13.2 10.5
35.1 14.0 9.43
34.0 13.9 10.2
55.0 18.0 6.60
7.0
7.20
109%
切断 动作
根据类似不同臂架长度、不同工况下调 试前后数据的采集，对调试后现场检测数据 记录分析，已达到相关标准和《流动式起重机 检验项目》第 7 条第 43 项规定的要求，安装 合格。
4.存在问题及整改情况 几台起重设备安装后，使用情况基本正 常，但也出现下列问题： 4.1 发电机输出电压对性能的影响 电脑对系统电压过高没有采取保护装 置，以至发生一次因发电机调节器故障，工作 电压增大而烧毁电脑芯片的情况发生。 4.2 操作人员对操作要求不明的影响 使用过程中，一定要在发动机启动前，将 取力器开关扳到“OFF”或“断开”位置，否则 会造成系统死机，甚至破坏程序。 初期，司机经常反映，小吨位重物起吊重 量显示与实物差距较大，起吊过程中数值变 化较大。该装置只限于安全保护，不可作为 衡器使用，动载荷晃动而引起显示值跳动属 正常现象，当吊重稳定后即可读出称重数值。 起吊与落钩时，称重数值稍有差异是由于滑 轮组与起重绳间摩擦力方向改变所致但综合 误差可保持在≤5%以内。 4.3 注意日常维护保养及拆装等使用要 求 使用过程中注意保持 ACS 电脑的清洁， 防止雨水、油料等淋溅到表面或内部。拆装 过程中，注意保护好各类检测器及附件；防止 阳光暴晒，以延长使用寿命。 使用过程中，必须做好钢丝绳、铰接部 分、滑柄等部位的润滑保养工作，否则对力矩 限制器的使用性能也有较大影响。 4.4 电脑核心机构性能较为可靠，但选用 的附件质量存在一些问题，如测力油缸发生 过渗油现象，报警蜂鸣器使用周期不长出现 损坏，已向厂家提出改进要求，厂家也及时给 予了修复。 （作者单位：淮安汽运集团有限公司）
34.9 4 6.46 7.0 40.0 4.3 7.08 7.0
40.1 4.31 7.08 7.0 44.8 4.78 7.07 7.0
45.3 4.85 7.18 7.0 49.6 5.52 7.20 7.0
50.2 5.65 7.35 7.0 55.0 6.61 7.19 7.0
55.3 6.71 7.4 7.0 59.8 8.12 7.16 7.0
文/魏武涛
●
创建齿轮关系式。在主菜单中依次选择 “工具”，“关系”选项，在“关系”对话框中添 加齿轮的几何尺寸关系。
创建齿轮齿廓线。在菜单中依次选择 “曲线选项”“从方程”“完成”选项，系统弹出 “曲线：从方程”对话框,在对话框中进行相应 的数值设置。此处与外齿轮的齿廓曲线形成 相同，同样选用笛卡儿坐标，曲线方程与上式 相同，得到渐开线。
60.6 7.2 7.2 7.0 65.0 10.0 7.14 7.0
65 10.2 7.45 7.0 70.2 12.8 7.46 7.0
70.2 12.8 7.47 7.0 75.2 18.0 7.6 7.0
75.3 18.2 7.3 7.0
78.4 23.9 7.0 7.0
臂长 30.5 米主机调整验收记录数据：
角度 幅度 额定 砝码 显示 力矩 说明 重量 质量 重量 %比
61.0 16.0 8.52
9.0
9.01
105%
切断 动作
65.8 13.7 10.3 9.0 9.08 87%
75.2 9.06 18.1 9.0 9.10 50%
75.1 9.07 18.1 7.0 7.27 40.5%
64.7 14.2 9.93 7.0 6.86 69%
阵列齿隙。将上面创建的齿隙进行圆周 阵列，完成的内齿轮模型。
2.3 内平动齿轮传动的装配 新建一个装配文件，并建立如图 1 所示 的四根轴线，其中 AA_1 为内齿轮的轴线， AA_2、AA_4、AA_5 为三根输入轴的轴线。
完成内平动齿轮传动的装配。如图 2 所 示。
图 2 内平动齿轮传动的装配 3.内平动齿轮传动的有限元分析 内平动齿轮减速器在额定载荷的作用 下，其实际接触齿数大于理论啮合齿数。这 是因为在内平动齿轮传动中，不处于啮合位 置的齿对在进入啮合之前和脱离啮合之
40 14.9 9.21
40.0 14.9 10.2
45 16.5 9.44
45.0 16.5 10.1
50.4 18.7 9.45
49.8 18.4 9.98
55.2 21.4 9.50
54.8 21.2 10.2
59.9 24.8 9.30
60.0 25 10
65.4 30.1 9.65
64.7 29.1 10.2