基于ANSYS的少齿数齿轮模态分析与研究

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研究基于ANSYS分析的齿轮设计

研究基于ANSYS分析的齿轮设计发布时间：2023-02-01T01:04:06.877Z 来源：《科学与技术》2022年第16期8月作者：刘万俊[导读] 齿轮传动属于机械传动当中核心零件，被广泛应用至机械传动和机械领域当中。

齿轮设计，其主要是针对失效形式实施抗失效计算分析及校核处理。

刘万俊日本电产三协电子（东莞）有限公司广东东莞 523000[摘要]齿轮传动属于机械传动当中核心零件，被广泛应用至机械传动和机械领域当中。

齿轮设计，其主要是针对失效形式实施抗失效计算分析及校核处理。

以ANSYS分析作为辅助性设计手段，能够确保更为高效地完成齿轮设计相关工作。

故本文主要探讨以ANSYS分析为基础实施齿轮设计，仅供业内参考。

[关键词]齿轮设计；ANSYS；有限元；系统软件；前言：齿轮设计实践中，ANSYS分析属于现阶段所广泛应用的一种辅助性设计软件，可帮助设计者们高效完成齿轮设计任务。

因而，以ANSYS分析为基础下齿轮设计开展综合分析，有着一定的现实意义和价值。

1、简述ANSYSANSYS，它是美国的ANSYS公司所研制通用型大型有限元的分析软件，可以和计算机多数的辅助设计软件接口之间，实现数据共享及交换[1]。

2、以ANSYS分析为基础实施齿轮设计2.1工况为更好地以ANSYS分析为基础对齿轮设计开展实践分析，此次选定带式输送机的传动装置作为二级齿轮减速装置，并以高速级的齿轮设计作为研究对象，对以ANSYS分析为基础下齿轮设计进行详细分析。

输入功率为P＝10k W，所输入转速为n1＝960 r/min，高速级的齿数比为u＝3.2，呈斜齿圆柱形齿轮传动，精度为7级。

大齿轮为45钢材料，对其实施调质处理，整个齿面硬度为240 HBS；小齿轮为40Cr材料，对其实施调质处理，整个齿面硬度为280 HBS。

借助常规方法设定高速级的齿轮参数，即Z1及Z2分别是31mm、99mm；mn为2mm；中心距为134mm；齿宽B1及B2分别是70mm、65mm；螺旋β为14°02′5″。

基于ANSYS的少齿数齿轮模态分析与研究

基于ANSYS的少齿数齿轮模态分析与研究孙伏【摘要】Considering the advantages of gear with fewer teeth in practice and the characteristics of large displacement and top ,parametric modeling to z=8's involute gear with fewer teeth is carried out accurately through Pro/E software.Then modal analysis and extended model are done with the help of ANSYS finite element software to obtain 5 ranks intrinsic frequency, vibration models,stress and strain cloud chart.By studying the result,we find out the features of vibration models and variation rules of displacement,stress and strain.Thus,some proposal are suggested for dynamic design,which laid a theoretical foundation for rational design and vibration, noise decreasing of the involute gear with fewer teeth.%考虑到少齿数齿轮传动在实践中的诸多优点以及大变位和"削顶"的特点,通过Pro/E软件对z=8的渐开线少齿数齿轮进行精确地参数化建模,并借助ANSYS有限元软件对其进行了模态分析和扩展模态,得到了5阶固有频率、振型和应力、应变云图.通过研究分析结果,发现了5阶振型的特点,位移、应力和应变的变化规律,提出在动态设计时的几点建议,为渐开线少齿数齿轮传动的合理设计、减少振动和噪音等方面奠定了理论基础.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2011(000)005【总页数】3页(P119-121)【关键词】渐开线少齿数齿轮;大变位;精确建模;模态分析;动态设计【作者】孙伏【作者单位】陕西理工学院机械工程学院,汉中,723003【正文语种】中文【中图分类】TH16;TH32.413;N945.121 问题的提出齿轮传动广泛应用在机械传动中，在中小功率、传动比大、中小模数的齿轮传动中，小齿轮可考虑使用少齿数齿轮z1=（1～10），使其具有单级传动比大、结构紧凑、重量轻、便携等优点。

基于ANSYS的齿轮仿真分析

基于ANSYS的齿轮仿真分析齿轮是一种常见的机械传动元件，广泛应用于工业生产中的各种机械设备中。

齿轮的工作性能直接影响着整个传动系统的性能和可靠性。

为了确保齿轮的正常工作和延长使用寿命，需要对齿轮进行仿真分析。

本文将介绍基于ANSYS软件的齿轮仿真分析方法和流程。

首先，进行齿轮的几何建模。

使用ANSYS软件中的几何建模工具，根据实际齿轮的参数进行几何建模。

包括齿轮的齿数、模数、齿宽等参数。

建立三维模型后，对齿轮进行网格划分，生成有限元模型。

接下来，进行材料属性的定义。

根据实际齿轮的材料，定义材料属性。

包括弹性模量、泊松比、材料密度等参数。

这些参数将被用于后续的载荷和刚度分析。

然后，进行齿轮的载荷分析。

齿轮在工作过程中受到来自外界的载荷作用，主要包括径向力、切向力和轴向力等。

通过ANSYS中的载荷工具，对齿轮进行载荷加载。

可以根据实际工况设置载荷大小和方向。

进行齿轮的接触分析。

齿轮的接触是齿轮传动中的重要性能指标之一、通过ANSYS中的接触分析工具，可以计算齿轮接触面上的应力分布、接触区域和接触压力等参数。

这些参数对于齿轮的寿命和工作性能有重要影响。

进行齿轮的动力学分析。

齿轮在传动过程中会产生振动和噪声。

通过ANSYS中的动力学分析工具，可以计算齿轮的振动模态、固有频率和振动幅度等参数。

这些参数对于齿轮的运行平稳性和噪声控制有重要意义。

最后，进行疲劳分析。

齿轮在长时间使用过程中，容易出现疲劳破坏。

通过ANSYS中的疲劳分析工具，可以预测齿轮的寿命和疲劳破坏位置。

通过疲劳分析结果，可以调整齿轮的设计参数，提高其工作寿命。

综上所述，基于ANSYS的齿轮仿真分析包括几何建模、材料属性定义、载荷分析、接触分析、动力学分析和疲劳分析等步骤。

通过这些分析，可以评估齿轮的工作性能，指导齿轮的设计和改进。

同时，齿轮仿真分析可以帮助优化整个传动系统的工作性能和可靠性，提高机械设备的制造水平和整体效益。

少齿数齿轮轴的模态分析与研究

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｆｅａｔｕｒｅｓｔｈａｔｔｈｅｌｅｓｓｔｏｏｔｈ，ｔｈｅｂｉｇｇｅｒｓｐｉｒａｌｎｇｅａ，ｔｈｅｍｏｒｅｃｏｎｔａｃｔｒａｔｉｏａｎｄｔｈｅｍｏｒｅｃｏｍｐｃｔａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｌｅｓｓ一０ｇｅａｒｉｓｔａｋｅｎｔｈｅｋｅｙｏｂｊｅｃｔ－厂０ｒｔｈｅｈｉｇｈｓｉｎｇｌｅｇｅｒｅａｄｄｒｉｖｅ．Ｂｕｔｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｄｙｎａｍｉｃｍｅｓｈｉｎｇ
摘
要：少齿数齿轮因其齿数少，螺旋角大，重合度大，结构紧凑等特点，使其成为单级大传动比研究重点对象，但是其
动态啮合特性一直是研究的难点，其模态分析又是动力学分析的基础。首先基于强大的三维实体建模软件Ｐｒｏ／Ｅ，实现少齿数齿轮轴的参数化建模，其次基于机械振动学理论，建立多自由系统振动方程，并给出符号求解过程，最后通过基于有限元法的有限元软件ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ对其模态求解，得到其多阶固有频率和振型，并给出少齿数齿轮轴的临
ｃｈｒａａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｆｏｉｓａｌｗａｙｓｔｈｅｄｆｉｉｆｃｕｌｔｐｏｉｎｔ，ａｎｄｍｏｄｌａａｎａｌｙｓｉｓｓｉｔｈｅｂａｓｉｓｆｏｄｙｎａｍｉｃａｎｌａｙｓｉｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｇｅｔｔｈｅ

基于ANSYS的齿轮静力学分析及模态分析

基于ANSYS的齿轮静力学分析及模态分析齿轮是一种常用的机械传动装置，广泛应用于机械传动系统中。

在设计齿轮时，常常需要进行静力学分析和模态分析，以确保其性能和可靠性。

基于ANSYS软件的齿轮静力学分析和模态分析方法是一种常用的设计方法。

首先，进行齿轮静力学分析需要获取齿轮的几何参数和材料性质。

几何参数包括齿轮的齿数、模数、齿宽等，材料性质包括齿轮的材料弹性模量、泊松比等。

然后，使用ANSYS软件建立齿轮的三维有限元模型，并进行网格划分。

在建立完有限元模型之后，进行齿轮静力学分析。

首先要定义齿轮的边界条件和载荷情况。

边界条件包括固定约束和辅助约束，以模拟实际应用中的固定情况。

载荷情况包括齿轮的输入转矩和速度，以及传递给齿轮的负载。

然后，应用静力学方程，利用ANSYS软件进行静力学计算，得到齿轮的应力和变形分布情况。

通过齿轮静力学分析，可以评估齿轮的传动性能和承载能力。

根据分析结果，可以进行结构优化，以提高齿轮的性能和可靠性。

除了静力学分析，模态分析也是齿轮设计中的重要环节。

模态分析主要用于研究齿轮的固有振动特性。

通过模态分析可以确定齿轮的固有频率和振型，以及可能产生共振的模态。

在模态分析中，需要定义齿轮的材料性质和几何参数，建立三维有限元模型，并进行网格划分。

然后，通过ANSYS软件进行模态分析，得到齿轮的固有频率和振型。

通过模态分析，可以了解齿轮的振动特性和共振情况，以及可能导致振动问题的关键频率。

根据分析结果，可以采取措施来避免共振问题，提高齿轮的振动稳定性。

总的来说，基于ANSYS的齿轮静力学分析和模态分析方法可以帮助工程师了解齿轮的承载性能和振动特性，以指导齿轮的设计和优化。

这些分析结果对于提高齿轮的传动效率和可靠性非常重要。

因此，建议在齿轮设计过程中，尽量采用ANSYS软件进行静力学分析和模态分析，以确保设计的准确性和可靠性。

基于ANSYS的齿轮仿真分析

2011.12
1、3关键点和渐开线
通过镜像操作(Main>Preprocessor>Modeling>Reflect>Lines) 齿根过渡曲线进行镜像生成完整的渐开线。
关键点的建立：
1 POINTS
TYPE NUM
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
DEC 11 2011 16:08:21
轮廓线建立：
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(Main Menu—Preprocessor—Material Props—Material Models—Define Material Models Behavior ) 材料模型：Thermal(热)
Density(密度) 2、3网格划分
采用自由网格划分 ,自由网格对于单元形状无限制,映射网格对包含的单元形状有限制，而且必须满足特定的规则。
齿轮温度沿啮合线是变化的，节点的温度变化是随时间变化的。上图能直观反映出各点温度值，为进行齿轮胶合强度计算提供很好依据。
2011.12
2011.12
基于ANSYS的齿轮仿真分析
目录
1 概述 2 建模 3 分析 4 求解 5 结果分析
2011.12
概述
1、主要工作本文主要在ANSYS中建立了齿轮模型的。并且对齿轮应力进
行分析，通过与理论分析的比较，验证了ANSYS在齿轮计算中的准确性和有效性。经过应力分析，证实这种建模方法比较准确。
此外，由于齿轮的温度分布和变化是计算齿轮热变形和判断齿轮是否胶合的主要依据，因此对齿轮的温度场也进行了分析。
(Main Menu>Solution>-Solve->Current LS) 2、8后置处理

基于ANSYS的齿轮静力学分析及模态分析

基于ANSYS的齿轮静力学分析及模态分析齿轮是常用的动力传动装置，广泛应用于机械设备中。

在设计齿轮传动系统时，静力学分析和模态分析是非常重要的步骤。

本文将重点介绍基于ANSYS软件进行齿轮静力学分析和模态分析的方法和步骤。

1.齿轮静力学分析齿轮静力学分析旨在分析齿轮传动系统在静态负载下的应力和变形情况。

以下是基于ANSYS进行齿轮静力学分析的步骤：步骤1：几何建模使用ANSYS中的几何建模工具创建齿轮的三维模型。

确保模型准确地包含所有齿轮的几何特征。

步骤2：材料定义使用ANSYS的材料库定义齿轮材料的力学性质，例如弹性模量、泊松比和密度等。

步骤3：加载条件定义定义加载条件，包括对齿轮的力或力矩、支撑条件等。

加载条件应符合实际使用情况。

步骤4：网格划分使用ANSYS的网格划分工具对齿轮模型进行网格划分。

确保网格划分足够细致以捕捉齿轮的几何特征。

步骤5：模型求解使用ANSYS中的有限元分析功能对齿轮模型进行求解，得到齿轮在加载条件下的应力和变形分布情况。

步骤6：结果分析分析模型求解结果，评估齿轮的强度和刚度。

如果发现应力或变形过大的区域，需要进行相应的结构优化。

2.齿轮模态分析齿轮模态分析用于确定齿轮传动系统的固有频率和模态形态。

以下是基于ANSYS进行齿轮模态分析的步骤：步骤1：几何建模同齿轮静力学分析中的步骤1步骤2：材料定义同齿轮静力学分析中的步骤2步骤3：加载条件定义齿轮模态分析中，加载条件通常为空载条件。

即不施加任何外力或力矩。

步骤4：网格划分同齿轮静力学分析中的步骤4步骤5：模型求解使用ANSYS中的模态分析功能对齿轮模型进行求解，得到其固有频率和模态形态。

步骤6：结果分析分析模型求解结果，确定齿轮传动系统的固有频率和模态形态。

根据结果可以评估齿轮传动系统的动力特性和工作稳定性。

综上所述，基于ANSYS进行齿轮静力学分析和模态分析可以有效地评估齿轮传动系统的强度、刚度和动力特性。

这些分析结果对于优化齿轮设计和确保齿轮传动系统的正常工作非常重要。

ansys-齿轮模态分析

基于ANSYS 的齿轮模态分析齿轮传动是机械传动中最重要的传动部件，被广泛的应用在各个生产领域中，经常用在重要的场合；传动齿轮在工作过程中受到周期性载荷力的作用，有可能在标定转速发生强烈的共振，动应力急剧增加，致使齿轮过早出现扭转疲劳和弯曲疲劳。

静力学计算不能完全满足设计要求，因此有必要对齿轮进行模态分析，研究其振动特性，得到固有频率和主振型(自由振动特性)。

同时，模态分析也是其它动力学分析如谐响应分析、瞬态动力学分析和谱分析的基础。

本文运用UG 对齿轮建模并用有限元软件ANSYS 对齿轮进行模态分析，为齿轮动态设计提供了有效的方法。

1.模态分析简介由弹性力学有限元法，可得齿轮系统的运动微分方程为：[]{}[]{}[]{}{()}M X C X K X F t ++= （1）式中，[]M ，[]C ，[]K 分别为齿轮质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；分别为齿轮振动加速度向量、速度向量和位移向量，{}X 、{}X 、{}X 分别为齿轮振动加速度向量、速度向量和位移向量，12{}{,,,}T n X x x x =；{()}F t 为齿轮所受外界激振力向量，{}12{()},,T n F t f f f =。

若无外力作用，即{}{()}0F t =，则得到系统的自由振动方程。

在求齿轮自由振动的频率和振型即求齿轮的固有频率和固有振型时，阻尼对它们影响不大，因此，可以作为无阻尼自由振动问题来处理[2]。

无阻尼项自由振动的运动方程为：[]{}[]{}0M X K X += （2）如果令 {}{}sin()X t φωφ=+则有 2{}{}sin()X t ωφωφ=+代入运动方程，可得 2([][]){}0i i K M ωφ-= （3）式中i ω为第I 阶模态的固有频率，i φ为第I 阶振型，1,2,,i n =。

2.齿轮建模在ANSYS 中直接建模有一定的难度，考虑到其与多数绘图软件具有良好的数据接口，可以方便的转化，而UG 软件以其参数化、全相关的特点在零件造型方面表现突出，可以通过参数控制模型尺寸的变化，因此本文采用通过UG 软件对齿轮进行参数化建模，保存为IGES 格式，然后将模型导入到ANSYS 软件中的方法。

基于ANSYS齿轮轴的模态分析

作者简介院向禹豪（1997-），男，重庆人，本科在读，研究方向为机械设计与制造。
图 5 简化网格模型
5 简化模型计算结果计算得到前 6 阶的振型图如图 6 所示。简化齿轮轴模型前 6 阶模态固有频率和振型如表 2。
表 2 简化模型前 6 阶固有频率与振型
阶数
固有频率/Hz
振型
1
0
绕 z 轴的转动
2.2 前处理建模型导入到 ANSYS 中，采用 40Cr 材料弹性量 E= 2.11GPa，泊松比为滋=0.277，质量密度为籽=7.87伊103kg/m3 为进行网格划分，采用四面体单元逼近模型，生成 94068 个节点，60973 个单元，如图 2 所示。
图 2 网格模型
要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要
作者简介院荀向红（1967-），男，工程师，主要从事柴油机动力模块的装配和试验工作。
排各缸均能正常发火，但 B 排总是不确定地出现个别气缸喷油发火的情况，从而影响后续试验的进行。
1.1 原因分析柴油机起动后怠速运行，此时应为 A 排单排工作，即 A 排各缸应正常喷油发火；而 B 排处于脱排状态，燃油供油处于停车零位。针对出现个别气缸喷油发火的异常情况，这就需要结合图 1 先对调速器的外部伺服系统各组件的功能介绍一下。 1.2 调速器外部伺服系统各组件的功能 1.2.1 升压伺服器如图 1 所示，起动时高压压缩空气淤进入升压伺服器于底部的气腔，气腔中有一储压活塞和弹簧。压缩空气使活塞克服弹簧压力而向上移动，并迫使活塞上部储存的滑油经左侧出口流出升压伺服器，在这个过程中止回阀关闭滑油进口。当起动过程完成后，压缩空气供应中断，弹簧压
关键词院故障现象曰原因分析曰故障点
0 引言船用某 V 型柴油机起动采用单排起动方式，按下起动按钮后，预供滑油泵被接通开始工作；同时，气缸停排装置的二位三通电磁阀（Y18）得电，B 排燃油控制杆脱开，处于停车零位。预供滑油泵建立必要的油压后，主起动阀自动得电打开，高压压缩空气分别流向各缸起动阀、空气分配器和升压伺服器。压缩空气由空气分配器控制，按发火顺序经各缸起动阀进入 B 排气缸，驱动柴油机运转。启动过程为 A 排单排供油发火，升压伺服器使滑油通过管路和截止阀流入调速器，由调速器控制起动时的最大燃油供油量。 1 故障现象一在柴油机台架试验时，每次起动后怠速运行过程 A 要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要

基于ANSYS Workbench的齿轮齿条系统模态分析

基于ANSYS Workbench的齿轮齿条系统模态分析作者：马海龙来源：《中国科技纵横》2016年第18期【摘要】齿轮齿条传动模态分析研究的主要内容是确定齿轮齿条部件的振动特性（固有频率和主振型），它们是承受动载荷结构设计中的重要参数。

由于系统的固有特性表明了在哪些频率下结构会产生共振以及在各阶频率下结构的相对变形，因此对于改善结构动态特性具有重要意义。

由模态分析就可判断出齿轮的转速是否合理，这样可以确定齿轮与齿轮转速合理匹配，进而避开其固有频率。

【关键词】齿轮齿条模态分析 ANSYS Workbench 共振1引言模态分析是用来分析、确定系统振动特性的一种动力学分析技术。

振动特性包括固有频率、振型等。

在进行结构设计时可以利用模态分析避免共振，还可以为其他动力学分析模块提供求解控制参数，如时间步长等。

在准备进行其他动力学问题之前首先要进行模态分析，模态分析是最基础的内容。

2模态分析基本概念和理论模态的定义是结构在进行自由振动时所具有的振动特性。

结构本身的物理几何特性和材料属性决定着自身的模态，结构模态与外部是否添加载荷无关。

进行模态分析时可以有两种方法：（1）理论模态分析，它的基础是线性振动理论。

主要方法是利用有限元方法对所研究的结构进行离散，建立数学模型，求解系统特征值和特征向量，即求得系统的固有频率和固有振型。

（2）实验模态分析，又叫模态分析的实验过程。

首先，利用实验测得结构的激励和响应时间，运用数字处理技术求得频响应函数。

然后运用参数识别方法得到系统结构模态参数。

3齿轮齿条系统模态分析有限元建模3.1齿轮齿条有限元模型的建立及材料的定义利用UG软件建立三维模型以后，以x_t 格式导入到 ANSYS Workbench 12.0中，得到在ansys中的齿轮齿条装配模型。

在Geometry菜单中给齿轮齿条进行切片，为下面的局部网格划分打下基础。

对模型的材料进行定义，在Engineering Data菜单中添加新材料，齿轮齿条采用的材料选用40Cr，40Cr作为为中碳合金结构钢，经调质并高频表面淬火后，可制作要求较高的表面硬度及耐磨性并带有一定冲击的零件，如齿轮、轴、连杆等。

基于ANSYS的齿轮装配体模态分析

基于ＡＳＳ的齿轮装配体模态分析ＮＹ
杨伟，星国，马尤小梅
（阳理工大学机械工程学院，宁沈阳ｌ０６）沈辽１１８
摘要：出一种用ＡＳＳ分析装配体模态的新方法，提ＮＹ针对某履带车辆传动系统高速旋转齿轮求解两种临界状态下的系统频率和主振型，而每种临界状态下的模态都可以用线性模态分析理论求解，系统运行时的固有频率在两者之间．将模态分析结果与Ａ－Ｄ
ＹＡＮＧｅ，ＷｉＭＡｎ — ｕＹＯＵａ－ｉＸｉｇｇｏ，Ｘｉｏｍｅ
（ｈｎａｇＬｇｎｎｖｒｔ，ｈｎａｇ１０６ＣｉａＳｅｙｎｉｇＵｉｅｉＳｅｙｎ１１８，ｈｎ）ｏｓｙ
Ａｂｓｒｃ：ｎｗｔｏｏｎｌｓｎｓｅｌｄｅｂｔａｔＡｅｍｅｈｄｆｒａａｙｉｇａｓｍｂｙｍｏｙＡＮＳｓｐｏｏｅＹＳｉｒｐｓｄ，ｔｅｓｓｅｆｅｈｙｔｍｒ－
辆行驶的舒适性、操纵稳定性以及燃油经济性．型号履带车辆传动系统，目通常是在高速重载工况
前对于齿轮的模态分析主要是基于解析方法和简下工作，由于变速的频繁性，辆在使用中承受剧车
烈的振动，影响其操作的稳定性及传动效率．尤其
ｑｅｃｅｎｈｉｉｒｔｎｍｏｅｏｅｒｔｎｍｉｓｎｓｓｅｏｅｃｔｒｉａｅｉｌｕｎｉｓａｄｔｅｍａｎｖｂａｉｄｆｇａｒｓｓｉｙｔｍｆｔａｅｐｌｖｈｃｅｏａｏｈｌｒａｅｓｕｉｄｏｗｒｉａｔｔ．Ｔｅｆｅｕｎｉｓａｄｔｅｍａｎｖｂａｔｎｍｏｅｃｎｂｏｖｄｒｔｄｅｎｔｏｃｉｃｌａｅｈｑｅｃｅｎｈｉｉｒｒｏｄａｅｓｌｅｔｓｒｉ

基于ANSYS的齿轮模态特性研究

基于ANSYS的齿轮模态特性研究梁鹏威;康振全;黄浩然;马莉莉;刘洪星;朱朝磊【摘要】为了研究齿轮的模态特性,使用GearTrax软件建立一对常见的传动齿轮模型,然后将其中一个小齿轮导入到ANSYS软件里进行网格单元划分的操作,得到对应的有限元单元模型,然后再使用ANSYS有限元软件建立了良好状态下以及故障状态下的直齿圆柱齿轮模型.选用一种合适的建模方式对前面两种方式得到的有限元模型的前八阶模态进行分析对比,与良好齿轮的模态频率相比,故障齿轮的模态频率发生了一定的变化.这一结论可为以后齿轮故障分析提供一种新的思路.【期刊名称】《华电技术》【年(卷),期】2019(041)006【总页数】6页(P17-22)【关键词】ANSYS;故障;齿轮;模态频率【作者】梁鹏威;康振全;黄浩然;马莉莉;刘洪星;朱朝磊【作者单位】许继集团有限公司,河南许昌 461000;许继集团有限公司,河南许昌461000;许继集团有限公司,河南许昌 461000;许继集团有限公司,河南许昌461000;许继集团有限公司,河南许昌 461000;许继集团有限公司,河南许昌461000【正文语种】中文【中图分类】TH1320 引言随着“中国制造2025”政策的提出，机械设备的可靠性研究显得越来越重要，而齿轮作为机械传动环节中不可缺少的一部分，更是我们关注的重点。

由于齿轮传动系统具有寿命长、运行平稳、传动比准确、效率高等优点，被广泛应用在发电机、矿山机械、火车和汽车等领域[1]。

由于齿轮的运行状态极其复杂，运行载荷多种多样，齿轮运行状态非常不容易预测。

齿轮故障的产生对人们的生命财产安全造成了一定威胁，因此故障齿轮特性的研究显得非常迫切[2]。

ANSYS是一款功能强大的有限元分析软件，可以解决电场、磁场、结构等领域的问题，可以很好地将有限元理论和实际工程问题相结合，分析效果显著[3]。

雷新望[4]使用LS-DYNA软件仿真了行星齿轮啮合时的冲击激励,得出了正常状态下和单个断齿故障状态下的冲击激励曲线。

基于ANSYS的少齿数齿轮轴应力分析_陈长秀

基于ANSYS的少齿数齿轮轴应力分析*陈长秀，党改慧（陕西国防工业职业技术学院汽车工程学院，陕西西安710300）摘要：应用Pro/E软件建立了精确的少齿数齿轮传动的三维模型并完成了装配和运动仿真。

借助ANSYS软件对少齿数齿轮传动小齿轮轴的应力进行了计算，得到了最大等效应力、最大主应力、中间主应力、最小主应力、齿面抗压接触应力和齿面抗拉强度等，研究计算结果为渐开线少齿数齿轮传动的设计计算、提高承载能力等奠定了一定的理论基础。

关键词：少齿数齿轮；三维建模；小齿轮轴应力；ANSYS中图分类号：TH123文献标志码：A文章编号：1007－4414（2013）01－0021－02Stress analysis of the fewer teethed gear shaft based on ANSYSChen Chang－xiu，Dang Gai－hui（Shaanxi defense industry vocational and technical school，Xi'an Shaanxi710300，China）Abstract：The accurate three－dimensional model of small number of teeth of gear is established and motion simulation of the assembly is completed by Pro/E software．The strength of the pinion shaft of the gear is calculated by using ANSYS in the pa-per，maximum stress，the maximum principal stress，minimum principal stress，tooth surface compressive contact stress and tensile strength of the tooth surface are calculated．Results of research laid the theoretical foundation for the design and calcu-lation of the fewer teethed gear and also improved the carrying capacity．Key words：fewer teethed gear；3D gear model；ANSYS；stress of gear meshing1引言少齿数齿轮传动（小齿轮齿数z=2 10）作为渐开线齿轮传动的重要组成及延伸，有着单级传动比大、结构紧凑、重量轻等优点。

基于ANSYS的行星齿轮系统参数化建模与模态分析

Keywords: gear, planetary gear train, dynamics, parametric modeling, APDL
II
南京航空航天大学硕线 ················································································································8 图 2.2 极坐标系下渐开线齿廓的建立 ·······················································································10 图 2.3 半齿平面图 ······················································································································10 图 2.4 齿面的线划分 ·················································································································· 11 图 2.5 单个齿轮的齿面 ··············································································································12 图 2.6 单个齿轮采用三角形自由网格划分 ···············································································12 图 2.7 单个齿轮采用四边形自由网格划分 ···············································································12 图 2.8 单个齿轮有限元模型 ·······································································································12 图 2.9 单壁式行星架结构简图 ···································································································13 图 2.10 单壁式行星架有限元模型一 ·························································································14 图 2.11 单壁式行星架有限元模型二 ·························································································14 图 2.12 内齿圈有限元模型 ·········································································································16 图 2.13 NGW 型行星齿轮基本构件 ···························································································16 图 2.14 行星轮安装分析示意图 ·································································································17 图 2.15 行星轮系的工作方式 ·····································································································19 图 2.16 三个行星轮无干涉模型 ·································································································20 图 2.17 四个行星轮无干涉模型 ·································································································21 图 2.18 五个行星轮无干涉模型 ·································································································21 图 2.19 七个行星轮无干涉模型 ·································································································21 图 2.20 九个行星轮无干涉模型 ·································································································22 图 3.1 齿轮扭转分析模型···········································································································27 图 3.2 单对齿轮啮合 ··················································································································27 图 3.3 单对齿轮有限元模型 ·······································································································29 图 3.4 接触法二阶固有频率对应振型 ·······················································································30 图 3.5 节点法二阶固有频率对应振型 ·······················································································30 图 3.6 接触法三阶固有频率对应振型 ·······················································································30 图 3.7 节点法三阶固有频率对应振型 ························································································30 图 3.8 接触法四阶固有频率对应振型 ·······················································································30 图 3.9 节点法四阶固有频率对应振型 ·······················································································30

基于ANSYS的齿轮装配体模态分析_杨伟

文章编号:1003-1251(2008)04-0071-05基于A N S Y S 的齿轮装配体模态分析杨　伟,马星国,尤小梅(沈阳理工大学机械工程学院,辽宁沈阳110168)摘　要:提出一种用A N S Y S 分析装配体模态的新方法,针对某履带车辆传动系统高速旋转齿轮求解两种临界状态下的系统频率和主振型,而每种临界状态下的模态都可以用线性模态分析理论求解,系统运行时的固有频率在两者之间.将模态分析结果与A D -A M S 运动仿真得到的啮合频率进行比较,分析系统运行时能否发生共振.关键词:有限元法;齿轮传动系统;模态分析;啮合频率中图分类号:T H 113.1 文献标识码:AT h e Mo d a l A n a l y s i s o f G e a r A s s e m b l y B a s e dO nA N S Y SY A N GWe i ,M AX i n g -g u o ,Y O UX i a o -m e i(S h e n y a n g L i g o n g U n i v e r s i t y ,S h e n y a n g 110168,C h i n a )A b s t r a c t :An e wm e t h o d f o r a n a l y s i n g a s s e m b l y m o d e b y A N S Y S i s p r o p o s e d ,t h e s y s t e mf r e -q u e n c i e s a n d t h e m a i nv i b r a t i o nm o d e o f g e a r t r a n s m i s s i o ns y s t e m o f t h e c a t e r p i l l a r v e h i c l e a r e s t u d i e d o n t w o c r i t i c a l s t a t e .T h e f r e q u e n c i e s a n d t h e m a i n v i b r a r t i o n m o d e c a n b e s o l v e d w i t h l i n e a r m o d e a n a l y s i s t h e o r y ,t h e n a t u r a l f r e q u e n c y o f g e a r s y s t e mi s l o c a t e d b e t w e e n t h e f r e q u e n c i e s o f t w o c r i t i c a l s t a t e .T h e m e s h i n g f r e q u e n c i e s o b t a i n e d b y A D A M S a r e c o m p a r e d w i t h a b o v e m e n t i o n e d f r e q u e n c i e s t o k n o ww h e t h e r t h e r e s o n a n c e v i b r a t i o n w i l l o c c u r o r n o t .K e yw o r d s :f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ;g e a r t r a n s m i s s i o ns y s t e m ;m o d a l a n a l y s i s ;m e s h i n gf r e -q u e n c y收稿日期:2008-06-02作者简介:杨伟(1982—),男,硕士研究生;通讯作者:马星国(1963—)男,教授,研究方向:为多体动力学仿真和有限元分析. 在车辆齿轮传动系统中,对齿轮进行模态分析,有益于在设计中掌握齿轮结构的振动特性,特别是确定结构或机械传动部件的固有频率,使设计师可以避开这些频率或最大限度地减少对这些频率上的激励,从而消除过度振动或噪声,提高车辆行驶的舒适性、操纵稳定性以及燃油经济性.目前对于齿轮的模态分析主要是基于解析方法和简单的数值仿真研究,但这些研究都做了大量的简化,即使是使用有限元方法对齿轮进行的特性分析,也是在静态下对单一齿轮进行的研究,而没有考虑齿轮啮合时轮齿之间相互约束的影响,针对装配体的模态分析更是鲜见于相关文献.对于某型号履带车辆传动系统,通常是在高速重载工况下工作,由于变速的频繁性,车辆在使用中承受剧烈的振动,影响其操作的稳定性及传动效率.尤其是在高速运转状态下,离心力在转动部件中造成的预应力对结构的固有频率也有影响[1].传统的单一齿轮静态线性模态分析方法不能满足分析的2008年8月沈阳理工大学学报 V o l .27N o.4第27卷第4期　T R A N S A C T I O N S O F S H E N Y A N G L I G O N G U N I V E R S I T YA u g .208需要,故对齿轮系统进行实际工况下的振动分析就显得尤为重要.1　齿轮的固有振动分析齿轮副在啮合过程中,因加工误差、齿侧间隙和轮齿受载弹性变形及热变形,会产生“啮合合成基节误差”,使轮齿在啮入啮出时的啮入啮出点偏离理论啮合线,主/被动齿轮转动速度产生偏差和突变,引起啮入/出冲击,受到周期性冲击载荷的作用,产生振动的高频分量就是齿轮的固有振动频率.齿轮传动副的固有振动频率一般是指齿轮系统扭转振动的固有频率,齿轮系统的扭振主要是由轴的扭振和轮齿的弹性扭振组成.影响齿轮副固有频率的因素很多,如轮齿的刚度大小、齿轮副的大小、轴的刚度大小、润滑油膜厚度及各种阻尼等等.固有频率可由下式近似计算[2]f 0=12πk m(1)式中,m 和k 分别为齿轮的等效质量和刚度系数,其大小可以查阅相关手册或者根据经验而定.为了避免齿轮啮合时发生共振现象,必须精确地测出齿轮的固有振动频率,同时也为齿轮系统的故障诊断提供重要参数.本文建模时考虑了齿侧间隙.2　装配体模态分析理论由弹性力学有限元法,可得齿轮系统的运动微分方程为M X ··+C X ·+K X =F (t )(2)式中:M ,C ,K 分别为齿轮系统质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;X ··,X ·,X 分别为齿轮系统振动加速度向量、速度向量和位移向量,X={x 1,x 2,…,x n }T;F (t )为齿轮所受外界激振力向量:F (t )={f 1,f 2,…,f n }T.若无外力作用,即F (t )=0,则得到系统的自由振动方程.在求齿轮自由振动的频率和振型即求齿轮的固有频率和固有振型时,阻尼对它们影响不大,因此,阻尼项也可以略去,得到无阻尼自由振动的运动方程为 M X ··+K X=0(3)其对应的特征值方程为 (K-ωi M )X i =0(4)式中ωi 为第i阶模态的固有频率i =1,2,…,n .这时的振动系统一般存在n 个固有频率和n 个主振型.以上是经典的线性模态分析理论,它要求刚度矩阵K 是不变化的.刚度矩阵K 是和约束有关系的,约束不同计算出的K 不同,固有频率也不同.而齿轮啮合传动时轮齿之间是相互接触的,简单说它们之间是一种约束关系,而且这种约束关系是随时间变化的,这是由于啮合部位和接触面积是随时间变化所造成的,也即K 是时变的,也就是说齿轮传动系统并不存在一个确定的固有频率,这与传统的线性模态分析理论是相悖的.装配体的模态分析是非线性的,如何用A N S Y S 来模拟装配体的约束条件是求解问题的关键.通常处理这种问题时是将两个齿轮在C A D 软件中合并为一体作为一个零件来求模态,这种方法一是没有考虑轮齿之间的约束关系;二是作为一个零件增大了啮合刚度,求解的固有频率偏高;三是像齿轮这样复杂的零件合并后在划分网格时会更加困难.鉴于此提出一种用A N S Y S 分析装配体模态的新方法,首先分析模型的运动状况,求解两种临界状态下的系统频率,而每种临界状态下的模态都可用线性模态分析理论求解,系统运行时的固有频率在两者之间.由于齿轮传动是主动轮从齿根到齿顶经历双齿啮合-单齿啮合-双齿啮合的过程,从动轮则从齿顶到齿根经历双齿啮合-单齿啮合-双齿啮合的过程,双齿啮合区接触面积最大,其啮合刚度最大;反之,单齿啮合区接触面积最小,其啮合刚度最小.啮合刚度的变化导致其固有频率在一定范围内波动.可以计算啮合刚度最大和啮合刚度最小两种临界啮合状态下的频率,从而可知系统的固有频率范围.而每种临界状况下的模态分析都满足线性模态分析理论,可以直接用A N S Y S 进行求解.所以用A N S Y S 求解装配体的模态用的还是经典的线性模态分析理论,只是求解方法有所变更.·72·沈阳理工大学学报 2008年3　高速旋转状态下齿轮装配体的模态分析3.1　装配体有限元模型的建立本文根据某履带车辆齿轮传动系统的工作情况,以定轴轮系齿轮装配体模型为例进行模态分析.齿轮的几何参数为:齿数Z 1=25、Z 2=36,模数M=7m m ,齿宽B 1=48m m 、B 2=44m m ,压力角均为20°,变位系数X 1=+0.2m m 、X 2=-0.2m m ,采用三维造型软件P R O /E 建立齿轮的参数化模型,并将两个齿轮进行装配.为了节省计算时间缩小求解规模,对几何模型做必要的简化,去掉模型中较小的倒角和圆角.将简化后的模型通过P R O /E 与A N S Y S 10.0的接口导入到有限元分析软件A N S Y S 中,并对三维几何模型划分网格.材料属性为:杨氏弹性模量E =2.06×105M P a ,泊松比μ=0.3,材料密度ρ=7.85×103k g /m 3.单元类型采用适应于曲线边界建模的20节点6面体单元B r i c k 20n o d e s 186,使用自由网格命令进行网格划分,共生成节点84086个,单元417220个.划分网格后的有限元模型如图1所示.3.2　施加约束并求解由于齿轮在车辆传动系统中处于高速重载工况下工作,其静态分析不再适用.由于高速转动,离心力在转动部件中造成的预应力对结构频率有很大影响,因此对齿轮系统进行模态分析时要考虑它的高速旋转,也就是有预应力的模态分析.图1　装配体有限元模型小齿轮是主动轮,在进行模态分析之前,根据实际工况要求,首先在小齿轮上施加大小为1500r /m i n 的转速,进行静力分析,求出系统的应力状态(预应力).根据实际状况约束小齿轮和大齿轮内孔壁上的径向自由度和轴向的平动自由度,针对每种临界状况施加不同的刚性连接,然后分别求解两种临界状态下系统的固有频率,求解结果见表1.表1　两种临界状态下的固有频率值H z 阶数状态1频率状态2频率164.763297.3482140.07186.973254.48306.724346.77440.005994.981188.161484.41705.671680.21832.182339.92750.493168.73211.0103221.33579.43.3　结果后处理由于第二种状态下的啮合刚度比较大,所以其固有频率较第一种状态下的固有频率大,而齿轮系统在高速转动时的固有频率在两者之间,例如齿轮啮合传动的第一阶固有频率在64.7632-97.348H z 之间,依次类推.由于篇幅所限,下面仅列出第一种临界状态下的前6阶阵型图.图2　一阶振型图·73·第4期杨　伟等:基于A N S Y S 的齿轮装配体模态分析图3　二阶振型图图4　三阶阵型图图5　四阶振型图图6　五阶振型图图7　六阶阵型图4　A D A MS 仿真系统的啮合频率以上求出了齿轮系统在高速旋转状态下的固有频率,为了考察齿轮系统在运转时是否发生共振,就要求出齿轮系统在工作状态下的啮合频率.机械系统动力学分析软件A D A M S 可以求出系统工作时的啮合频率[2],当啮合频率落在某阶固有频率范围之内就有共振的危险.通过P r o /e 与A D -A M S 的接口程序M E C H P R O 2005将模型导入到A D A M S 中,添加两齿轮与地面的旋转幅,以及两齿轮之间接触副,再在小齿轮上添加驱动转速1500r /m i n ,形成虚拟样机动力学模型.对建立好的模型进行仿真分析,仿真时间0.5s ,仿真步长2000步.仿真完成后,在后处理模块中绘制出齿轮的啮合力曲线及其频域图8,从动轮的转速曲线图9.图8　啮合力随时间及其频率的曲线图·74·沈阳理工大学学报 2008年图9　从动轮转速曲线图由从动轮转速曲线图上可读出转速W2=-6 251.1141d e g/s,主动轮转速W1=1500r/m i n=9 000d e g/s,传动比为1.4397,而理论传动比为1. 44,由此可见仿真结果比较准确.当齿数一定时,啮合频率与转速成正比,由图9可知齿轮转速的波动范围不大,则啮合频率也在一个小范围内波动,从图8的频域曲线图可得齿轮系统的平均啮合频率为625.5H z.5　结束语本文提出了应用A N S Y S求解装配体的非线性模态的新方法,这种方法考虑了轮齿之间的约束,通过计算啮合刚度最大和啮合刚度最小两种临界啮合状态下的频率,分析出系统的固有频率范围,根据A D A M S仿真出系统的平均啮合频率为625.2H z,可知啮合频率并未落在固有频率范围之内,所以系统在运行过程中不会发生共振.该方法求解结果比较准确,求得的固有频率为进一步的动力学响应分析奠定了基础.参考文献:[1]李杰,项昌乐.高速旋转状态下的齿轮非线性模态分析[J].现代制造工程,2007,(7):77-79.[2]华顺刚,余国权,苏铁明.基于A D A M S的减速器虚拟样机建模及动力学仿真[J].机械设计与研究,2006,(12):47-52. [3]张毅,高创宽.基于A N S Y S的渐开线直齿圆柱齿轮有限元模态分析[J],机械工程与自动化,2007,(2):70-72.[4]袁安富,陈俊.A N S Y S在模态分析中的应用[J],中国制造业信息化,2007,(6):42-44.(上接第45页)[8]S u o r s aI,T e l l i n e nJ,U l l a k k oK,e t a l.V o l t a g eg e n e r a t i o ni n-d u ce d b y m e c h a n i c a l s t r a i n i n g i nm a g n e t i c s h a p e m e m o r y m a t e r i-a l s[J].J o u r n a lo f A p p l i e dP h y s i c s,2004,95(12):8054-8058.[9]Wa n gF e n g x i a n g,L i We n j u n,Z h a n g Q i n g x i n,e t a l.E x p e r i m e n-t a l s t u d yo nc h a r a c t e r i s t i c so fN i M n G am a g n e t i c a l l yc o n t r o l l e d s h a p e m e m o r ya l l o y[J].J o u r n a l o f Ma t e r i a l S c i e n c ea n dT e c h-n o l o g y,2006,22(1):55-58.·75·第4期杨　伟等:基于A N S Y S的齿轮装配体模态分析。

基于ANSYS的少齿数齿轮啮合轴系振动特性分析

基于ANSYS的少齿数齿轮啮合轴系振动特性分析陈长秀【摘要】应用Pro/E软件建立了少齿数齿轮啮合传动的三维模型并进行装配和运动仿真.借助ANSYS软件的模态分析功能,建立了较为科学的计算模型,结合齿轮啮合的受力情况建立边界条件并加载,实现了少齿数齿轮啮合轴系进行模态分析,得到各阶振型和频率,对所设计的少齿数齿轮传动的振动特性进行了评判,为渐开线少齿数齿轮传动的设计计算、提高承载能力等奠定一定的理论基础.【期刊名称】《科技资讯》【年(卷),期】2017(015)012【总页数】4页(P97-99,102)【关键词】少齿数齿轮;三维建模;模态分析;ANSYS【作者】陈长秀【作者单位】陕西国防工业职业技术学院陕西西安 710300【正文语种】中文【中图分类】TH12模态分析是确定系统振动特性的一种技术,它关注的是系统自身基本的动力特性,是所有动力学分析中最基础的部分。

轮齿啮合过程中冲击和振动不可避免,齿轮啮合轴系的振动特性直接影响少齿数减速器的动力特性,因此轴系振动特性是评估少齿数齿轮减速器动力特性的重要指标。

该文采用ANSYS 12.1对啮合轴系进行振动特性分析,主要步骤是建立计算模型、进行网络划分、建立计算边界条件并加载求解,从而得到所设计的少齿数齿轮啮合轴系的动力特性。

鉴于ANSYS软件建模较复杂、过程繁琐,该文采用Pro/E软件完成少齿数齿轮减速器所有零件的三维建模及减速器的装配,并另存为.PRT文件,再将Pro/E中将建立的.PRT文件模型导入到ANSYS 12.1中,并重新进行关键点合并、实体产生、小面积的删除等处理,以得到准确的计算模型。

将Pro/E中建立的模型导入到ANSYS 12.1后,利用ANSYS 12.1的模态分析功能对主要零件及结构进行模态分析。

所建立的轴系计算模型如图1所示。

因高阶三维实体单元Solid187适合于CAD中不规则的复杂模型,单元具有塑性、高弹性、蠕变、膨胀应力刚化、大变形、大应变等功能。