一種考慮主減速器殼的驅(qū)動橋齒輪動力學(xué)特性計算方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種考慮主減速器殼的驅(qū)動橋齒輪動力學(xué)特性計算方法，包括以下步驟：1)定義全局坐標(biāo)系；2)建立軸有限元模型；3)建立非線性軸承模型；4)建立齒輪力學(xué)模型；5)建立主減速器殼縮維有限元模型；6)建立驅(qū)動橋主減速器齒輪傳動系統(tǒng)靜力學(xué)模型；7)計算靜力平衡時的軸承剛度；8)建立驅(qū)動橋主減速器齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型；9)驅(qū)動橋主減速器齒輪傳動系統(tǒng)固有振動特性計算；10)驅(qū)動橋主減速器齒輪動力學(xué)特性計算。本發(fā)明以有限元方法和模態(tài)綜合方法建立包含主減速器殼在內(nèi)的齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型，考慮主減速器殼與傳動系的相互影響，能夠準確高效地對考慮主減速器殼影響的驅(qū)動橋齒輪動力學(xué)特性進行計算。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于各種包含殼體的齒輪傳動結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性計算分析。
【專利說明】一種考慮主減速器殼的驅(qū)動橋齒輪動力學(xué)特性計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種車輛傳動領(lǐng)域中的零部件動力學(xué)特性計算方法，特別是關(guān)于一種考慮主減速器殼的驅(qū)動橋齒輪動力學(xué)特性計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在驅(qū)動橋中，主減速器齒輪的傳動誤差是驅(qū)動橋系統(tǒng)振動噪聲的主要激勵源，一方面?zhèn)鲃诱`差會引起齒輪自身的嘯叫問題，另一方面齒輪傳動誤差產(chǎn)生的動態(tài)激勵經(jīng)過傳動軸、軸承傳遞至殼體，傳動系與殼體相互影響，形成整個系統(tǒng)的振動噪聲問題。驅(qū)動橋主減速器齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)分析的難點在于，如何建立包含主減速器殼和傳動系各個部件的準確完整的系統(tǒng)動力學(xué)分析模型，進行準確高效的計算分析。
[0003]現(xiàn)有研究方法在進行驅(qū)動橋主減速器齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)分析時，大多采用簡化的集中參數(shù)模型，將系統(tǒng)部件處理為集中質(zhì)量，并將軸承處理為彈簧，一端與軸的集中質(zhì)量點相連，一端接地，無法考慮主減速器殼的影響。這種方法雖然計算效率高，但系統(tǒng)模型過于簡化，無法體現(xiàn)傳動系部件的尺寸特征，尤其沒有考慮主減速器殼的影響，無法準確的體現(xiàn)系統(tǒng)的動力學(xué)特性。另有研究方法直接建立包含驅(qū)動橋所有零部件的實體單元有限元模型，采用有限元接觸計算方法分析驅(qū)動橋系統(tǒng)的動力學(xué)特性，但是這種方法的建模過程十分復(fù)雜，系統(tǒng)模型的規(guī)模過大，接觸分析需要消耗大量的計算資源，計算效率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種準確高效的考慮主減速器殼的驅(qū)動橋齒輪動力學(xué)特性計算方法。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種考慮主減速器殼的驅(qū)動橋齒輪動力學(xué)特性計算方法，包括以下步驟:1)定義全局坐標(biāo)系:對驅(qū)動橋主減速器齒輪傳動系統(tǒng)的全局坐標(biāo)系進行定義，作為系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)；2)建立軸有限元模型:采用考慮剪切應(yīng)變的歐拉伯努利空間梁單元建立軸的有限元模型；3)建立非線性軸承模型:采用具有耦合非線性剛度特性的軸承單元對滾子軸承進行模擬；4)建立齒輪力學(xué)模型:在齒輪等效嚙合節(jié)點之間建立沿等效嚙合力作用線方向的空間彈簧單元，對準雙曲面齒輪的嚙合關(guān)系進行模擬；5)建立主減速器殼縮維有限元模型:采用四節(jié)點四面體單元對主減速器殼的幾何模型進行網(wǎng)格劃分，建立主減速器殼的有限元模型，采用模態(tài)綜合法求得主減速器殼的縮維剛度矩陣和縮維質(zhì)量矩陣；6)建立驅(qū)動橋主減速器齒輪傳動系統(tǒng)靜力學(xué)模型:用軸承非線性剛度矩陣組集傳動系有限元模型剛度矩陣和主減速器殼縮維剛度矩陣，獲得完整傳動系統(tǒng)的靜力學(xué)有限元模型；7)計算靜力平衡時的軸承剛度:采用牛頓-拉普森方法迭代求解對應(yīng)輸入轉(zhuǎn)矩下的系統(tǒng)靜力學(xué)方程，得到靜力平衡時的軸承剛度矩陣；8)建立驅(qū)動橋主減速器齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型:以靜力平衡時的軸承剛度矩陣作為軸承的線性剛度矩陣，組集傳動系有限元模型剛度矩陣和主減速器殼縮維剛度矩陣，以得到整體系統(tǒng)的線性剛度矩陣，以軸的質(zhì)量矩陣和主減速器殼的縮維質(zhì)量矩陣，組集得到整體系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣，建立系統(tǒng)動力學(xué)模型；9)驅(qū)動橋主減速器齒輪傳動系統(tǒng)固有振動特性計算:求解系統(tǒng)無阻尼自由振動方程的特征方程的特征根和特征向量，獲得系統(tǒng)的振動頻率和正則振型；10)驅(qū)動橋主減速器齒輪動力學(xué)特性計算:先計算齒輪的動態(tài)柔度和動態(tài)剛度，再計算單位諧波齒輪傳動誤差激勵下系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，獲得齒輪嚙合節(jié)點自由度的響應(yīng)，由齒輪的動態(tài)剛度和齒輪嚙合節(jié)點自由度的響應(yīng)，求得齒輪的動態(tài)嚙合力。
[0006]在所述步驟I)中，驅(qū)動橋主減速器齒輪傳動系統(tǒng)采用標(biāo)準汽車坐標(biāo)系作為全局坐標(biāo)系，即汽車前進方向為X軸正向，汽車左側(cè)方向為y軸正向，豎直向上為Z軸正向，坐標(biāo)原點為差速器十字軸中心位置。
[0007]在所述步驟2)中，考慮剪切應(yīng)變的歐拉伯努利空間梁單元是指在經(jīng)典歐拉伯努利梁單元模型中，以剪切影響系數(shù)形式來引入剪切應(yīng)變的影響，圓截面的剪切影響系數(shù)表示為:
【權(quán)利要求】
1.一種考慮主減速器殼的驅(qū)動橋齒輪動力學(xué)特性計算方法，包括以下步驟: 1)定義全局坐標(biāo)系:對驅(qū)動橋主減速器齒輪傳動系統(tǒng)的全局坐標(biāo)系進行定義，作為系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)； 2)建立軸有限元模型:采用考慮剪切應(yīng)變的歐拉伯努利空間梁單元建立軸的有限元模型； 3)建立非線性軸承模型:采用具有耦合非線性剛度特性的軸承單元對滾子軸承進行模擬； 4)建立齒輪力學(xué)模型:在齒輪等效嚙合節(jié)點之間建立沿等效嚙合力作用線方向的空間彈簧單元，對準雙曲面齒輪的嚙合關(guān)系進行模擬； 5)建立主減速器殼縮維有限元模型:采用四節(jié)點四面體單元對主減速器殼的幾何模型進行網(wǎng)格劃分，建立主減速器殼的有限元模型，采用模態(tài)綜合法獲得主減速器殼的縮維剛度矩陣和縮維質(zhì)量矩陣； 6)建立驅(qū)動橋主減速器齒輪傳動系統(tǒng)靜力學(xué)模型:用軸承非線性剛度矩陣組集傳動系有限元模型剛度矩陣和主減速器殼縮維剛度矩陣，獲得完整傳動系統(tǒng)的靜力學(xué)有限元模型； 7)計算靜力平衡時的軸承剛度:采用牛頓-拉普森方法迭代求解對應(yīng)輸入轉(zhuǎn)矩下的系統(tǒng)靜力學(xué)方程，得到靜力平衡時的軸承剛度矩陣； 8)建立驅(qū)動橋主減速 器齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型:以靜力平衡時的軸承剛度矩陣作為軸承的線性剛度矩陣，組集傳動系有限元模型剛度矩陣和主減速器殼縮維剛度矩陣，以得到整體系統(tǒng)的線性剛度矩陣，以軸的質(zhì)量矩陣和主減速器殼的縮維質(zhì)量矩陣，組集得到整體系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣，建立系統(tǒng)動力學(xué)模型； 9)驅(qū)動橋主減速器齒輪傳動系統(tǒng)固有振動特性計算:求解系統(tǒng)無阻尼自由振動方程的特征方程的特征根和特征向量，獲得系統(tǒng)的振動頻率和正則振型； 10)驅(qū)動橋主減速器齒輪動力學(xué)特性計算:先計算齒輪的動態(tài)柔度和動態(tài)剛度，再計算單位諧波齒輪傳動誤差激勵下系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，獲得齒輪嚙合節(jié)點自由度的響應(yīng)，由齒輪的動態(tài)剛度和齒輪嚙合節(jié)點自由度的響應(yīng)，求得齒輪的動態(tài)嚙合力。
2.如權(quán)利要求1所述的一種考慮主減速器殼的驅(qū)動橋齒輪動力學(xué)特性計算方法，其特征在于:在所述步驟I)中，驅(qū)動橋主減速器齒輪傳動系統(tǒng)采用標(biāo)準汽車坐標(biāo)系作為全局坐標(biāo)系，即汽車前進方向為X軸正向，汽車左側(cè)方向為y軸正向，豎直向上為z軸正向，坐標(biāo)原點為差速器十字軸中心位置。
3.如權(quán)利要求1所述的一種考慮主減速器殼的驅(qū)動橋齒輪動力學(xué)特性計算方法，其特征在于:在所述步驟2)中，考慮剪切應(yīng)變的歐拉伯努利空間梁單元是指在經(jīng)典歐拉伯努利梁單元模型中，以剪切影響系數(shù)形式來引入剪切應(yīng)變的影響，圓截面的剪切影響系數(shù)表示為:
4.如權(quán)利要求1所述的一種考慮主減速器殼的驅(qū)動橋齒輪動力學(xué)特性計算方法，其特征在于:在所述步驟3)中，滾子軸承的載荷計算公式表示為:
5.如權(quán)利要求1所述的一種考慮主減速器殼的驅(qū)動橋齒輪動力學(xué)特性計算方法，其特征在于:在所述步驟4)中，準雙曲面齒輪中小輪和大輪的理論嚙合位置在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)表示為:
(x，y，z) = (x1； Y1, Z1)+ (Ax1, Ay1, Δ Z1) 上式中，(X11Y11Z1)為小輪中心節(jié)點在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；Λ Xl、Ay1和Λ Z1分別為理論哨合位置相對小輪中心節(jié)點坐標(biāo)在全局坐標(biāo)系x、y和ζ方向上的偏移量； 其中，(Ax1, Ay1, Δ Z1)的計算公式表示為:
6.如權(quán)利要求5所述的一種考慮主減速器殼的驅(qū)動橋齒輪動力學(xué)特性計算方法，其特征在于:在所述步驟4)中，全局坐標(biāo)系下小輪和大輪等效嚙合節(jié)點之間的等效嚙合力作用線方向向量(xn，yn，zn)的計算公式表示為:

7.如權(quán)利要求1所述的一種考慮主減速器殼的驅(qū)動橋齒輪動力學(xué)特性計算方法，其特征在于:在所述步驟6)中，主減速器齒輪傳動系統(tǒng)的靜力學(xué)方程表示為:
[K] { δ } = {f} 上式中，[K]為系統(tǒng)剛度矩陣，由梁單元剛度矩陣[Kb.]、非線性軸承剛度矩陣Kb_ing]、齒輪剛度矩陣[KgeaJ、齒輪嚙合剛度矩陣[K_h]和主減速器殼縮維剛度矩陣[Khousing]組集而成；{ δ }為節(jié)點自由度位移向量；{f}為外載荷向量。
8.如權(quán)利要求1所述的一種考慮主減速器殼的驅(qū)動橋齒輪動力學(xué)特性計算方法，其特征在于:在所述步驟8)中，驅(qū)動橋主減速器齒輪傳動系統(tǒng)模型的動力學(xué)方程表示為:
9.如權(quán)利要求1所述的一種考慮主減速器殼的驅(qū)動橋齒輪動力學(xué)特性計算方法，其特征在于:在所述步驟10)中，主減速器齒輪的動力學(xué)特性通過齒輪的動態(tài)嚙合力體現(xiàn)，齒輪的動態(tài)嚙合力表示為:
10.如權(quán)利要求9所述的一種考慮主減速器殼的驅(qū)動橋齒輪動力學(xué)特性計算方法，其特征在于:在所述步驟10)中，激振力作用下小輪和大輪嚙合節(jié)點沿齒輪嚙合力作用線方向上的相對位移響應(yīng)S mesh的求解過程如下: 將齒輪單位諧波傳動誤差引起的激振力施加在齒輪耦合傳動系統(tǒng)中，分別作用在小輪和大輪的嚙合節(jié)點上，采用振型疊加法計算獲得系統(tǒng)的位移響應(yīng)表示為:
【文檔編號】G06F17/50GK103971006SQ201410207341
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月16日
【發(fā)明者】范子杰, 周馳, 田程, 王琪, 桂良進, 丁煒琦 申請人:清華大學(xué), 陜西漢德車橋有限公司