基于ADAMS啮合齿轮振动的检测与分析

课程论文

论文标题：基于ADAMS啮合齿轮振动的检测与分析

姓名：苏达子

学号：0901301012

专业：机械制造及其自动化专业

学院：机械工程学院

时间：2013年01月13日

基于ADAMS啮合齿轮振动的检测与分析

苏达子机械工程学院 0901301012

【摘要】基于ADAMS2012（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）软件的基础上建立参数化直齿轮三维实体模型，使用多体动力学分析软件ADAMS 对齿轮黏合过程中产生的振动进行仿真分析，研究了在对应转速和力矩条件下齿轮振动在时域及频域中的变化规律并对齿轮啮合过程中可能产生的振动故障进行分析，提出诊断结果。

关键词：ADAMS；齿轮；振动；仿真

【Abstract】Based on the of software ADAMS 2012 (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) creates parametric straight spur gear in 3D physical model, the use of multi-body dynamics analysis software ADAMS on gear bonding process of vibration simulation analysis, in the corresponding rotational speed and torque conditions gear vibration in time and frequency domain and the change rule of gear meshing might occur during the process of vibration fault is analyzed, and the diagnosis.

Key words:Adams；Gear；Vibration；Simulation.

1 引言

机械故障诊断学时20世纪六七十年代逐渐发展起来的一门综合性、交叉性的新学科。它通过获得机械设备在静止或运动中的状态信息，并参考设备过去的运行经历，来获得设备的实时状况，并推断未来的趋势，从而确定必要的对应策略。

在齿轮诊断方面，日本的白木万博自60、70年代以来，发表了大量的故障诊断方面的文章，总结了丰富的现场故障处理经验并进行了理论分析。美国机械工艺技术公司，赛格研究所及麻省理工学院机械设计部对齿轮典型故障机理进行了大量的试验研究。JS米切尔在“机器故障的分析与监测”中也对齿轮故障机理做了详细的论述。我国在齿轮故障机理研究方面也做了大量工作。如郑州工业大学韩捷等在“齿轮故障的振动频谱机理研究”中对齿轮的故障机理做了深入的探讨，提出了将齿轮故障特征分为大周期齿轮故障特征和小特征齿轮故障特征[1]。

2 齿轮振动原理

2.1齿轮产生振动的机理

齿轮是机械设备中的常用部件，而齿轮传动也是机械传动中最常见的方式之一。齿轮失效的主要原因有：

（1）轮齿的啮合振动；

（2）齿轮的制造误差和装配误差引起的振动； （3）齿轮在使用过程中出现的损伤引起的振动； （4）自由载荷引起的自由衰减振动。

本文主要分析齿轮在啮合过程中的振动情况。

2.2 啮合齿轮振动分析

若以一对齿轮作为研究对象，忽略齿面摩擦力的影响，则其力学模型如图1所示。

图1 齿轮副力学模型

其振动方程为

12()()()()t M x C x

K t x K t E K t E t ++=+ （1） 式中x —岩作用线上齿轮的相对位移； C —齿轮啮合阻尼； ()K t —齿轮啮合刚度； t M —齿轮副的等效质量； 1E —齿轮受载后的平均弹性变形；

2()E t —齿轮的误差和异常造成的两个齿轮间的相对位移。

由式1可见，其振源来自两部分：一部分为()K t ⋅1E ，它与齿轮的误差和故障无关，成为常规齿轮粘合振动；另一部分为()K t ⋅2()E t ，它取决于齿轮的啮合刚度()K t 和故障函数2()E t [2]。

每当一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合，齿轮的啮合刚度就变化一

次。变化曲线如图2所示。

图2 直齿轮啮合刚度变化曲线

若齿轮副主动轮转速为n 1，齿数为z 1，主动轮转速为n 2，齿数为z 2，则齿轮啮合刚度的变化频率（啮合频率）及它们的谐频为

211222(1,2,3)60

c n f N f z N f z N

z N ==== （2）

理论上直径相等的啮合齿轮在转动过程中的角速度大小和转动周期应该相等，但由于齿轮自身的刚度变化，其时域和频域特征如图3所示。

图3 正常齿轮时域和频域振动波形

3 啮合齿轮虚拟样机模型的建立

ADAMS 是目前国际上使用最广泛的机械系统动态模拟软件。由于ADAMS 之前的版本所提供的实体造型（Solid Modeling ）功能并不适合于复杂3D 曲面的构建，所以一般情况下都将3D CAD 专业软件当做几何前处理器，在专业CAD （PROE ，UG 等）软件建模后，通过专业接口软件将模型输入到ADAMS 中进行分析[3]。在数据转换过程中，经常由于单位不一致而导致建模转换失败。本文采用ADAMS2012最新研发的参数化齿轮实体建模模块直接进行齿轮的三维实体建模，减少了工作程序，提高了准确率。

3.1 三维模型的建立

在ADAMS2012环境下，建立模数为2，压力角为20，齿数为40的啮合齿轮实体模型。 如图4所示。

3.2 虚拟样机模型的建立

在ADAMS2012环境下，对模型施加各种约束并定义啮合齿轮内之间的碰撞力、摩擦力和齿轮副。本文应用用刚度系数和阻尼数来计算碰撞力的Impact 函数计算接触力，如图5所示。并利用其中的控制分析软件MATLAB 进行仿真、有限元分析软件ANSYS 等集成扩展模块进行分析。通过建立某指定机械系统的数字化虚拟样机，准确地预测该系统的各种模拟实验的性能指标。