齒輪參數(shù)對行星輪系模態(tài)的影響

王天利，張鍵

(遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121001)

0 引言

機械在工作過程中產(chǎn)生的振動嚴(yán)重影響其設(shè)備的生產(chǎn)效率及使用壽命。同時，由于機械振動所產(chǎn)生的噪聲對環(huán)境也會產(chǎn)生嚴(yán)重的污染。齒輪傳動是各種機械設(shè)備應(yīng)用最廣泛的動力傳動裝置，而機械振動以及噪聲大部分來自于齒輪在工作過程中所產(chǎn)生的振動。因此，研究齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)一直備受人們的關(guān)注［1－3］。利用有限元法對齒輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式、幾何參數(shù)進(jìn)行深入的研究，可以設(shè)計與制造高品質(zhì)的齒輪傳動系統(tǒng)。使用Catia 行星輪系進(jìn)行實體建模，利用Workbench 設(shè)置單元、材料屬性、自由度約束以及有限元分析計算，得到行星輪系的固有頻率和振型，并進(jìn)一步分析模數(shù)以及壓力角變化對行星輪系模態(tài)的影響。通過模數(shù)以及壓力角的變化對行星輪系的結(jié)構(gòu)振動特性分析，對于提高行星輪系的安全性和可靠性具有重要的意義［4－5］。

1 單個行星排的傳動方案

根據(jù)輸入軸、輸出軸和固定軸的不同選擇，可以獲取6 種不同的傳動方案。如表1 所示。單個行星排的傳動比方案不同，約束也不同。一般行星齒輪機構(gòu)用來實現(xiàn)減速傳動，而且要求傳動比比較大，因此選擇A 方案，然后根據(jù)行星輪系實際傳動情況，對行星輪系進(jìn)行施加約束并進(jìn)行模態(tài)分析。

表1 單個行星排的傳動比方案

2 行星輪系模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)

模態(tài)分析是動力學(xué)分析重要的理論基礎(chǔ)，主要用于確定機械結(jié)構(gòu)和部件的固有頻率、固有振型、模態(tài)剛度、模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)阻尼，是諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力分析和譜分析的開端。

一個N 自由度的線性系統(tǒng)，其振動微分方程為［6］:

式中:［M］、［C］、［K］分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣;{P(t)}為激振力向量;{x··(t)}、{x·(t)}、{x(t)}分別為加速度向量、速度向量、位移向量。

要對行星系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，求解的主要是固有頻率和振型參數(shù)固有模態(tài)，由于固有頻率與外載荷無關(guān)，故可令激振力等于0;且當(dāng)結(jié)構(gòu)阻尼在很小的情況下，阻尼對固有頻率的影響比較小，基本上可以不考慮，因此可以簡化成結(jié)構(gòu)無阻尼自由振動方程計算結(jié)構(gòu)的固有特性，由式(1)可得:

其對應(yīng)的特征方程為:

由式(3)可得出n 個特征值，也就是結(jié)構(gòu)的n 階固有頻率ωi2和相應(yīng)的n 個特征向量也就是結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型{ φ}i，它反映了結(jié)構(gòu)按頻率ωi振動時各自由度方向振幅間的相對比例關(guān)系。

2.2 有限元分析模型

使用Catia 對行星輪系進(jìn)行參數(shù)化建模，模型主要參數(shù):太陽輪齒數(shù)、行星輪齒數(shù)、齒圈齒數(shù)分別為22，23，68，行星輪數(shù)目為3，齒輪模數(shù)都為3 m，壓力角都為20 °。在Catia 中建立的行星輪系模型只是實體模型，而實際分析中針對的是有限元模型，如圖1 所示。因此需要對實體模型進(jìn)行單元定義和網(wǎng)格劃分。

圖1 行星輪系有限元模型

齒輪的材料為鉻錳合金鋼20CrMnTi，其彈性模量為2.06 × 105MPa，泊松比取值0.3，密度為7.8 × 10－9g/mm3。

對行星輪系所有齒輪的齒部以外采用以六面體單元為主進(jìn)行網(wǎng)格劃分，齒輪齒部則用四面體單元。這樣既對重要部分可以進(jìn)行精確的求解，而又不會使整個有限元模型網(wǎng)格較多導(dǎo)致計算時間太長。

2.3 行星輪系有限元模型中的自由度約束

1)行星輪系有限元模型的自由度約束

模態(tài)分析是在初始約束狀態(tài)下求解系統(tǒng)的固有頻率和振型，故需要對模型的初始狀態(tài)進(jìn)行約束，包括1 個太陽輪，3 個行星輪和1 個內(nèi)齒圈的初始狀態(tài)約束。

對于太陽輪，約束其中心孔內(nèi)的所有節(jié)點的ux，uy，uz方向的自由度。

對于行星輪，需要建立局部柱坐標(biāo)系，如圖2 所示，坐標(biāo)系的原點設(shè)置在各個行星輪的中心處。設(shè)置完成后，激活局部柱坐標(biāo)系，然后約束中心孔處所有節(jié)點的ux，uy(uz)方向的自由度。

對于內(nèi)齒圈，則是完全約束齒圈外部所有節(jié)點的自由度［7］。

圖2 輪系的自由度約束

2)嚙合齒輪間耦合關(guān)系的設(shè)定

在整個分析過程中，定義齒輪間的接觸關(guān)系是非常重要的，齒輪在嚙合的過程中齒廓間產(chǎn)生作用力，故采用定義齒輪間的無摩擦接觸關(guān)系的方法來模擬實際嚙合以便達(dá)到簡化分析的目的。主要對整個行星齒輪系統(tǒng)的嚙合施加接觸約束，即行星輪和內(nèi)齒圈之間的接觸，太陽輪和行星輪之間的接觸，如圖3 所示［8］。

圖3 耦合約束

2.4 模態(tài)分析求解

模態(tài)分析是采用試驗分析或理論分析的方法來識別系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析、振動故障診斷及結(jié)構(gòu)的動力特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

在ANSYS 軟件中，模態(tài)提取算法主要有Sub－space，Block Lancos，Power Dynamics，Reduced，Damped 等。考慮到Block Lancos 算法的求解精度高，計算速度快，故對行星輪系采用BlockLancos 算法進(jìn)行模態(tài)分析。計算時提取模態(tài)數(shù)為前9 階模態(tài)振型及固有頻率(表2)，各階模態(tài)振型如圖4(a)圖4(c)所示［9］。

圖4 各階模態(tài)振型圖

表2 行星輪系前9 階固有頻率

第一到第六階固有頻率對應(yīng)振型是三個行星輪的扭轉(zhuǎn)振動，振幅明顯有增大的趨勢。第七到第九階固有頻率對應(yīng)振型分別是不同一個行星輪的擺動振型。

3 齒輪模數(shù)的變化對模態(tài)的影響

模數(shù)是指相鄰兩輪齒同側(cè)齒廓間的法向齒距t 與圓周率π 的比值(m=t/π)，以mm 為單位。模數(shù)是齒輪的一個最基本參數(shù)。模數(shù)越大，輪齒越高而且越厚，如果齒輪的齒數(shù)一定，則齒輪的徑向尺寸就越大。分別取模數(shù)為2 mm，3 mm，4 mm，其他參數(shù)不變。然后通過對行星齒輪進(jìn)行動力學(xué)模態(tài)分析，確定模數(shù)的變化會對整個行星輪系的模態(tài)有何影響。

通過有限元分析得出在不同模數(shù)下的固有頻率及振型。由于篇幅有限，振型圖不再列出，通過表3 來比較在不同模數(shù)下對固有頻率的影響。

通過表3 和圖5 可以明顯看出，模數(shù)的變化對行星輪系的固有頻率有一定的影響，并且整個行星輪系的固有頻率隨著模數(shù)的增大而減小。

表3 模數(shù)分別為2 mm、3 mm、4 mm 的行星輪系的前9 階固有頻率

圖5 不同模數(shù)的行星輪系固有頻率值對比圖

4 齒輪壓力角變化對模態(tài)的影響

壓力角又稱嚙合角是在兩齒輪節(jié)圓相切點P 處，兩齒廓曲線的公法線(即齒廓的受力方向)與兩節(jié)圓的公切線(即P 點處的瞬時運動方向)所夾的銳角。對單個齒輪而言稱作齒形角。標(biāo)準(zhǔn)齒輪的壓力角一般為20°。小壓力角齒輪的承載能力較小，而大壓力角齒輪，雖然承載能力較高，但在傳遞轉(zhuǎn)矩相同的情況下軸承的負(fù)荷增大，所以僅用于特殊情況。分別以壓力角為18°、20°、22°，其他參數(shù)不變。然后通過對行星齒輪進(jìn)行動力學(xué)模態(tài)分析，確定壓力角的變化會對整個行星輪系的模態(tài)有何影響(表4)。

通過表4 和圖6 可以明顯看出，壓力角的變化對行星輪系的固有頻率有一定的影響，并且整個行星輪系的固有頻率隨著壓力角的增大而增大。

表4 壓力角分別為18°、20°、22°的行星輪系的前9 階固有頻率

圖6 不同壓力角的行星輪系固有頻率值對比

5 結(jié)論

本文利用有限元軟件ANSYS Workbench 對行星輪系進(jìn)行了模態(tài)分析，提取了行星輪系的前9 階固有頻率和振型;在其他參數(shù)不變情況下，改變齒輪的模數(shù)，通過有限元分析表明整個行星輪系的固有頻率隨著模數(shù)的增大而減小;在其他參數(shù)不變情況下，改變齒輪的壓力角，通過有限元分析表明整個行星輪系的固有頻率隨著壓力角的增大而增大;通過對行星輪系齒輪和對行星輪系齒輪幾何參數(shù)的研究，為行星輪系的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供直接的理論依據(jù)。

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