变速器齿轮系统建模及轴的模态分析

课程设计任务书
目录
第一章课程设计的内容简要说明---------------------------------------3第二章实体建模步骤-------------------------------------------------4
2.1打开CATIA，打开机械零部件设计界面---------------------------4
2.2使用宏创建齿轮举例------------------------------------------4
2.3具体绘制每个轴上的齿轮--------------------------------------4
2.4绘制轴及轴承------------------------------------------------8
2.5 组装零件----------------------------------------------------9第三章模型倒入导出过程--------------------------------------------10第四章对模型模态分析的过程----------------------------------------11
4.1定义单元类型------------------------------------------------11
4.2定义材料属性------------------------------------------------11
4.3 划分网格----------------------------------------------------11
4.4加载求解----------------------------------------------------13
4.5定义求解类型和选项------------------------------------------13第五章结果分析及问题讨论------------------------------------------14
5.1列出固有频率------------------------------------------------14
5.2查看特征振型------------------------------------------------14
5.3结论--------------------------------------------------------17第六章参考文献----------------------------------------------------18
1．课程设计的内容简要说明
1.1使用CATIA建立变速器齿轮系统主要零部件的三维实体模型并装配。

1.2将轴的实体模型导入到ANSYS中，进行划分网格、添加材料属性等前处理。

1.3确定轴模态分析的工况及算法，分析轴的振动特性
2．实体建模步骤
2.1打开CATIA，打开机械零部件设计界面，如2.1图。

图2.1 catia开始界面
2.2在工具栏中选择宏进入生成圆柱齿轮的宏，并运行。

如2.2图。

图2.2生成齿轮
2.3具体绘制每个轴上的齿轮
利用宏绘制齿轮，在齿轮参数中输入齿轮模数，齿轮宽，齿数，螺旋角以及旋向。

按照上表齿轮参数建造各档位齿轮，并保存，零件图。

各齿轮参数：
（1）第一轴上的斜齿轮。

如2.3图。

（2）第二轴常啮合齿轮，如2.4图。

图2.4啮合齿轮
（3）第二轴二档齿轮，如2.5图。

图2.5二档齿轮（4）第一轴二档齿轮，如2.6图。

图2.6二档齿轮
2.4 先建圆，然后拉伸成轴，并在轴上建轴承。

（1）绘制第一轴，如2.7图。

图2.7一轴（2）绘制第二轴，如2.8图。

图2.8二轴
（3）绘制输出轴，如2.9图。

图2.9输出轴
2.5组装零件
将建好的所有零件图导入装配图，并正确定位得到变速器的整体传动图。

如 2.10图。

图2.10装配图
3．模型导入导出过程
用CATIA软件将需要保存的文件保存成STP类型文件格式，将保存的STP类型文件用软件SOILWORK转换成X_T类型的文件，最后用ANSYS将X_T类型文件打开。

这样就完成了模型的导入导出过程。

打开方法：打开ansys软件，file---improt---para，然后找到之前保存的t.x格式文件。

4.对模型模态分析的过程。

-----轴的模态分析
4.1 定义单元类型
考虑到轴的各项指标，我将轴的材料定义为solid brick 8node 45。

4.2定义材料属性
进行模态分析需要输入杨氏模量、泊松比和材料密度等参数。

杨氏模量EX=2e 1 1，泊松比PRXY=0.3材料密度:DENS=7.8e-6，如4.1图。

图4.1设置PRXY和EX
4.3 划分网格
由于计算齿轮处于自由状态时的模态值，所以对齿轮不施加外载荷。

选择ANSYS中的模态分析模块，运行有限元程序。

ANSYS提供了7种模态提取方法，本文采用Block Lanczos法。

划分好的有限元模型如图4.2,4.3,4.4所示。

图4.2二轴网格划分
图4.3三轴网格划分
图4.4倒档轴网格划分
4.4加载求解
分别对轴的两端进行节点全约束，然后利用软件ansys进行求解。

步骤如下: 加载：Ansys main mean----solution----define
loads----apply----structural----displacement----on nodes
4.5定义求解类型和选项
定义分析类型。

选择Modal(模态分析)选项，在Model Analysis对话框。

选择Block Lanczos作为模态提取方法，输入提取的模态数目10。

对模型求解计算。

对齿轮模态分析进行条件设置后，选择Solve current LS命令，ANSYS开始
求解计算。

5. 后处理
5.1列出固有频率
单击菜单Main Menu→General PostProc→Results Summary，弹出的窗口显示轴的前5阶固有频率。

如5.1图。

图5.1运算结果举例
5.2查看特征振型
单击菜单Main Menu→General PostProc→Read Results→First Set，读入第1阶振型的数据。

单击菜单M a i n Menu→General PostProc→Plot Results →Deformed Shape，在弹出的对话框中选择Def+undef edge选项，即可显示第一阶振型，如下图所示。

单击菜单M a i n Menu→General PostProc→Plot Results →Contour Plot→Nodal Solu命令出现Contour Nodal Solution Data对话框，在Item to be contoured列表框中选择Nodal Solution→DOF solution→displacement vector sum，单击OK按钮，即可显示相对位移等值线，如图所示。

在Item to be contoured列表框中选择Nodal Solution→Stress→von Mises stress，单击OK按钮，即可显示相对等效应应力等值线，如图所示。

要查看下一阶的振型，单击菜单Main Menu→General PostProc→Read Results→Next Set，读入高一阶振型的数据。

然后再重复前述一阶振型显示步骤。

（1）二轴分析结果图，如5.2图。

图5.2二轴分析（2）三轴分析结果图如5.3，5.4图。

图5.3三轴分析
（3）倒档轴分析图，如5.5,5.6图。

图5.5倒档轴分析
图5.6倒档轴分析
5.3 结论
(1)当把轴承处的约束看作刚性约束对低速轴进行模态分析时，第1阶的固有频率远远高于其工作转速的频率，符合设计要求。

那么就更有潜力允许较高工作转速，从而可以提高加速器的工作效率。

(2)当把轴承处的约束看作弹性约束对轴进行模态分析时，其基本阶的固有频率明显降低，即其临界转速降低，也满足工作要求。

(3)通过对各个轴进行模型简化，建立有限元模型，并对该轴进行模态分析，获得其固有频率及振型，从而计算出该轴的临界转速，为进一步的谐响应分析提供必要的依据。

(4)因为轴工作在重载的工况之下，所以要先分析其是否满足固有振动特性的
要求。

6.参考文献
【1】叶友东周哲波.基于ANSYS直齿圆柱齿轮有限元模态分析[J].机械传动，2006，30(5).
【2】汤宏.基于ANSYS有限元软件的斜齿轮振动模态分析[J].中国科技信息，2009(23).
【3】唐勇张志强.渐开线齿轮模态分析[J]．机械与电子，2006(8).
【4】袁卫华.推土机终传动齿轮的模态分析[J]. 工程机械，2008，39(6). 【5】刘相新孟宪颐.ANSYS基础与应用教程[M]. 北京：科学出版社，2006.【6】张乐乐苏树强谭南林.Ansys辅助分析应用基础教程上机指导.北京清华大学出版社，2007.12。