一種齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)分析模塊化建模方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)分析模塊化建模方法，根據(jù)齒輪傳動系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計方案動力學(xué)快速評估需求，把構(gòu)成齒輪傳動系統(tǒng)的零部件進行模塊化處理，形成三種具有特定輸入輸出接口的模塊：軸模塊、齒輪副模塊、行星齒輪模塊。只需將齒輪傳動系統(tǒng)構(gòu)型方案中傳動件連接關(guān)系信息、齒輪基本參數(shù)和軸結(jié)構(gòu)基本參數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)，即可快速組裝生成齒輪傳動系統(tǒng)的總體質(zhì)量矩陣和總體剛度矩陣，從而建立齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)分析模型，可大大地提高齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)分析效率。此外，把結(jié)構(gòu)復(fù)雜的軸離散為若干軸段生成多個軸單元，可提高動力學(xué)計算結(jié)果的準(zhǔn)確度。
【專利說明】一種齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)分析模塊化建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于動力學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)分析模塊化建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002]齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)是研究齒輪傳動系統(tǒng)在傳遞運動和動力過程中的動力學(xué)行為的科學(xué)，它以齒輪傳動系統(tǒng)為對象，以齒輪副嚙合過程的動力學(xué)特性為核心，以提高和改善齒輪傳動系統(tǒng)的動力學(xué)行為為目的，在考慮系統(tǒng)各零部件動態(tài)特性的基礎(chǔ)上，利用振動力學(xué)理論和方法，研究齒輪傳動系統(tǒng)在傳遞動力和運動中振動、沖擊、噪聲的基本規(guī)律，為設(shè)計制造小振動、低噪聲、高可靠性、高傳動性能的齒輪傳動系統(tǒng)提供理論依據(jù)。
[0003]根據(jù)整機的功率和轉(zhuǎn)速要求，以及傳動系統(tǒng)動力輸入輸出位置和設(shè)計空間約束，首先需要對傳動系統(tǒng)進行構(gòu)型方案設(shè)計。設(shè)計者在構(gòu)型方案設(shè)計過程考慮的側(cè)重點不同會產(chǎn)生多種多樣的傳動系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計方案。為了對各種傳動系統(tǒng)設(shè)計方案的動力學(xué)特性進行快速評估，需要開發(fā)一種自適應(yīng)的動力學(xué)分析建模方法，可根據(jù)傳動系統(tǒng)的構(gòu)型方案數(shù)據(jù)，能夠快速計算獲取系統(tǒng)的固有頻率、振型及動態(tài)響應(yīng)等動力學(xué)特性數(shù)據(jù)。
[0004]齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)的研究對象經(jīng)歷了由一對齒輪副組成的簡單系統(tǒng)向同時包含齒輪、傳動軸和軸承的復(fù)雜系統(tǒng)的發(fā)展。把整個齒輪傳動系統(tǒng)作為分析對象，可以全面研究齒輪傳動系統(tǒng)的動態(tài)性能，齒輪及系統(tǒng)其它零件對嚙合過程動態(tài)激勵的影響。
[0005]目前對齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)分析的建模方法基本是針對某特定的齒輪傳動系統(tǒng)，以牛頓第二定律為基本原理，采用集中質(zhì)量法，將軸和齒輪分別抽象為一個集中質(zhì)量點，軸的扭轉(zhuǎn)剛度表示為彈簧剛度，齒輪的嚙合剛度表示為齒輪副間的彈簧剛度，以齒輪傳動系統(tǒng)中的各零件為對象分別構(gòu)建運動方程，然后聯(lián)立所有方程形成整個系統(tǒng)的動力學(xué)模型。這種方法存在不具有通用性的局限性，若齒輪傳動系統(tǒng)構(gòu)型形式發(fā)生改變，則必須重新對系統(tǒng)各零件進行受力分析列方程以建立動力學(xué)模型，這使對多種齒輪傳動系統(tǒng)構(gòu)型方案進行動力學(xué)特性評估的過程變得十分復(fù)雜，效率低下；此外，把結(jié)構(gòu)復(fù)雜的軸抽象為一個集中質(zhì)量點，在較大程度上會影響動力學(xué)計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。為此，提出一種自適應(yīng)的齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)分析模塊化建模方法，只需將齒輪傳動系統(tǒng)構(gòu)型方案參數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)，無需依次建立運動方程即可自動構(gòu)建動力學(xué)分析模型，同時把軸離散為若干軸段，看作若干具有剛度的軸單元，可以提高動力學(xué)計算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)存在的缺陷，提供一種齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)分析模塊化建模方法。
[0007]其具體技術(shù)方案為:
[0008]一種齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)分析模塊化建模方法，形成具有特定輸入輸出接口的模塊:軸模塊、齒輪副模塊、行星齒輪模塊，具體包括以下步驟:[0009]I)將軸劃分成若干段的小軸段，每個軸段兩端作為節(jié)點，軸段看作一個具有軸扭轉(zhuǎn)剛度的彈簧單元；
[0010]2)齒輪在齒輪中心處為相應(yīng)安裝軸上的一個節(jié)點，即齒輪節(jié)點；
[0011]3)功率的輸入或輸出中心為相應(yīng)軸上的一個節(jié)點，即功率節(jié)點；
[0012]4)齒輪對簡化為兩根軸上相應(yīng)兩節(jié)點連接的嚙合單元，該單元的剛度為嚙合剛度，在形成剛度矩陣時需要將嚙合剛度轉(zhuǎn)化為角剛度；
[0013]5)行星齒輪作為一個獨立的模塊進行處理，其太陽輪在相應(yīng)安裝軸中心位置作為行星齒輪與軸的耦合節(jié)點，對該耦合節(jié)點進行合并處理，即節(jié)點耦合為同一節(jié)點，節(jié)點的轉(zhuǎn)動慣量為原兩節(jié)點轉(zhuǎn)動慣量的相加值。
[0014]進一步優(yōu)選，所述軸模塊是由若干段軸串聯(lián)組合而成，每個軸段兩端作為節(jié)點，軸段看作一個具有軸扭轉(zhuǎn)剛度的彈簧單元，每一個軸段的轉(zhuǎn)動慣量與扭轉(zhuǎn)剛度計算公式采用空心圓柱體(實心軸則為內(nèi)徑為O的空心圓柱體)的轉(zhuǎn)動慣量與扭轉(zhuǎn)剛度計算方法:
[0015]I)空心圓柱體轉(zhuǎn)動慣量計算公式:
【權(quán)利要求】
1.一種齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)分析模塊化建模方法，其特征在于，形成具有特定輸入輸出接口的模塊:軸模塊、齒輪副模塊、行星齒輪模塊，具體包括以下步驟: 1)將軸劃分成若干段的小軸段，每個軸段兩端作為節(jié)點，軸段看作一個具有軸扭轉(zhuǎn)剛度的彈簧單元，即一個軸單元； 2)齒輪在齒輪中心處為相應(yīng)安裝軸上的一個節(jié)點，即齒輪節(jié)點； 3)功率輸入或輸出中心為相應(yīng)軸上的一個節(jié)點，即功率節(jié)點； 4)齒輪對簡化為兩根軸上相應(yīng)兩節(jié)點連接的嚙合單元，該單元的剛度為嚙合剛度，在形成剛度矩陣時需要將嚙合剛度轉(zhuǎn)化為角剛度； 5)行星齒輪作為一個獨立的模塊進行處理，其太陽輪在相應(yīng)安裝軸中心位置作為行星齒輪與軸的耦合節(jié)點，對該耦合節(jié)點進行合并處理，即節(jié)點耦合為同一節(jié)點，節(jié)點的轉(zhuǎn)動慣量為原兩節(jié)點轉(zhuǎn)動慣量的相加值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)分析模塊化建模方法，其特征在于，所述軸模塊是由若干段軸串聯(lián)組合而成，每個軸段兩端作為節(jié)點，軸段看作一個具有軸扭轉(zhuǎn)剛度的彈簧單元，每一個軸段的轉(zhuǎn)動慣量與扭轉(zhuǎn)剛度計算公式采用空心圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量與扭轉(zhuǎn)剛度計算方法: 1)空心圓柱體轉(zhuǎn)動慣量計算公式:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)分析模塊化建模方法，其特征在于，所述齒輪副模塊的建模過程為: 1)齒輪轉(zhuǎn)動慣量計算:把齒輪轉(zhuǎn)化為圓柱體進行計算，圓柱體外徑為齒輪分度圓直徑，內(nèi)徑為齒輪輪轂內(nèi)徑； 2)齒輪副嚙合剛度計算:通過GB/T3480-1997嚙合剛度公式計算獲取齒輪副的嚙合剛度； 3)齒輪在相應(yīng)安裝的軸上生成一個節(jié)點，即齒輪節(jié)點； 4)通過齒輪副將軸與軸之間進行關(guān)聯(lián)，在齒輪節(jié)點之間生成一個嚙合單元； 5)各齒輪的轉(zhuǎn)動慣量疊加在軸上相應(yīng)的齒輪節(jié)點上； 6)在形成剛度矩陣時把齒輪副的嚙合剛度轉(zhuǎn)換為扭轉(zhuǎn)剛度，轉(zhuǎn)換公式為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)分析模塊化建模方法，其特征在于，所述行星齒輪模塊的建模過程為: 1)行星齒輪模塊中太陽輪、行星輪、內(nèi)齒圈和行星架的轉(zhuǎn)動慣量采用簡化的空心圓柱體轉(zhuǎn)動慣量計算方法； 2)太陽輪與行星輪、行星輪與內(nèi)齒圈的嚙合剛度計算采用GB/T3480-1997嚙合剛度公式進行； 3)行星齒輪模塊與軸的耦合方法為:把太陽輪簡化為所在軸上的一個齒輪節(jié)點，節(jié)點進行合并處理，即節(jié)點耦合為同一節(jié)點`，節(jié)點的轉(zhuǎn)動慣量為原兩節(jié)點轉(zhuǎn)動慣量的相加值。
【文檔編號】G06F17/50GK103870630SQ201410022644
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年1月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月11日
【發(fā)明者】王海偉, 劉更, 吳立言, 常樂浩, 韓冰, 楊小輝, 劉嵐, 佟瑞庭, 馬尚君 申請人:西北工業(yè)大學(xué)