一種齒輪傳動系統(tǒng)動力學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)動力學分析模塊化建模方法，根據(jù)齒輪傳動系統(tǒng)構型設計方案動力學快速評估需求，把構成齒輪傳動系統(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)構型方案中傳動件連接關系信息、齒輪基本參數(shù)和軸結構基本參數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)，即可快速組裝生成齒輪傳動系統(tǒng)的總體質量矩陣和總體剛度矩陣，從而建立齒輪傳動系統(tǒng)動力學分析模型，可大大地提高齒輪傳動系統(tǒng)動力學分析效率。此外，把結構復雜的軸離散為若干軸段生成多個軸單元，可提高動力學計算結果的準確度。
【專利說明】一種齒輪傳動系統(tǒng)動力學分析模塊化建模方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于動力學【技術領域】，涉及一種齒輪傳動系統(tǒng)動力學分析模塊化建模方法。
【背景技術】
[0002]齒輪傳動系統(tǒng)動力學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行為的科學，它以齒輪傳動系統(tǒng)為對象，以齒輪副嚙合過程的動力學特性為核心，以提高和改善齒輪傳動系統(tǒng)的動力學行為為目的，在考慮系統(tǒng)各零部件動態(tài)特性的基礎上，利用振動力學理論和方法，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)整機的功率和轉速要求，以及傳動系統(tǒng)動力輸入輸出位置和設計空間約束，首先需要對傳動系統(tǒng)進行構型方案設計。設計者在構型方案設計過程考慮的側重點不同會產(chǎn)生多種多樣的傳動系統(tǒng)構型設計方案。為了對各種傳動系統(tǒng)設計方案的動力學特性進行快速評估，需要開發(fā)一種自適應的動力學分析建模方法，可根據(jù)傳動系統(tǒng)的構型方案數(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)響應等動力學特性數(shù)據(jù)。
[0004]齒輪傳動系統(tǒng)動力學的研究對象經(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，采用集中質量法，將軸和齒輪分別抽象為一個集中質量點，軸的扭轉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模型，這使對多種齒輪傳動系統(tǒng)構型方案進行動力學特性評估的過程變得十分復雜，效率低下；此外，把結構復雜的軸抽象為一個集中質量點，在較大程度上會影響動力學計算結果的準確性。為此，提出一種自適應的齒輪傳動系統(tǒng)動力學分析模塊化建模方法，只需將齒輪傳動系統(tǒng)構型方案參數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)，無需依次建立運動方程即可自動構建動力學分析模型，同時把軸離散為若干軸段，看作若干具有剛度的軸單元，可以提高動力學計算結果的準確度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服上述技術存在的缺陷，提供一種齒輪傳動系統(tǒng)動力學分析模塊化建模方法。
[0007]其具體技術方案為:
[0008]一種齒輪傳動系統(tǒng)動力學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剛度的彈簧單元；
[0010]2)齒輪在齒輪中心處為相應安裝軸上的一個節(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)點的轉動慣量為原兩節(jié)點轉動慣量的相加值。
[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剛度的彈簧單元，每一個軸段的轉動慣量與扭轉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)的轉動慣量與扭轉剛度計算方法:
[0015]I)空心圓柱體轉動慣量計算公式:
【權利要求】
1.一種齒輪傳動系統(tǒng)動力學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)點的轉動慣量為原兩節(jié)點轉動慣量的相加值。
2.根據(jù)權利要求1所述的齒輪傳動系統(tǒng)動力學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剛度的彈簧單元，每一個軸段的轉動慣量與扭轉剛度計算公式采用空心圓柱體的轉動慣量與扭轉剛度計算方法: 1)空心圓柱體轉動慣量計算公式:
3.根據(jù)權利要求1所述的齒輪傳動系統(tǒng)動力學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)齒輪轉動慣量計算:把齒輪轉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聯(lián)，在齒輪節(jié)點之間生成一個嚙合單元； 5)各齒輪的轉動慣量疊加在軸上相應的齒輪節(jié)點上； 6)在形成剛度矩陣時把齒輪副的嚙合剛度轉換為扭轉剛度，轉換公式為:
4.根據(jù)權利要求1所述的齒輪傳動系統(tǒng)動力學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)齒圈和行星架的轉動慣量采用簡化的空心圓柱體轉動慣量計算方法； 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)點的轉動慣量為原兩節(jié)點轉動慣量的相加值。
【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