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齿轮传动系统动态特性研究与仿真


第38卷第2期 2009年4月

船海工程
SHIP&()CEAN ENGINEERING

V01.38

No.2

Apr.2009

齿轮传动系统动态特性研究与仿真
邵寅,张益波
(浙江理工大学机械与自动控制学院,浙江杭州310018)

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摘要:为设计出高效、高质量齿轮传动系统。通过采用集中质量法建立单对直齿渐开线圆柱齿轮动力学 模型。利用三维CAD设计软件UG建立齿轮传动系统的实体模型并用大型动力学仿真软件ADAMS建立 齿轮系统虚拟样机模型,对齿轮传动系统进行动态仿真,得到动态特性曲线,并对结果进行分析,深入研究齿
轮传动系统动态特性。 关键词:齿轮;uG;ADAMS;动态仿真 中图分类号:TB21
一●

文献标志码:A

文章编号:167l一7953(2009)02一0055一04


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SHAO Yin,ZHANG Y卜bo

Mechanical Engineering and Automation of Zhejiang Sci—Tech University HangZhou 310018,China)
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Abst呲t:In order
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design



high—performance,high—quality

gear

transmission

system,built



single Used

the straight—tooth Involute CyIind rical Gear kinetic model by the way of focus

the qualit y.

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UG
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set

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gear

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prototype

ADAMS
to

to

set

gear

system’s virtual

modeI,then carried

out

dynamic

simulation of gear transmission

achieve dynamic characte ristic
gear

curves.

Analyzed

the results and in—depth

studyed the dynamic characte“stic5 of Key

transmissioll.

words:gear;UG;ADAMS;dynamic simuIation

齿轮机构具有传动效率高、结构紧凑,传动平 稳等优点,因此被广泛地应用于各类机器设备上, 尤其是在重载传动方面,齿轮传动机构更是占据 着举足轻重的地位。在实际的齿轮传递系统中, 由于润滑需要以及实际上的制造误差,齿面磨损 和受力变形等原因,不可避免的存在齿轮间隙;此 外轮齿交替接触导致啮合刚度随时间周期性变化 等原因,都会使得系统产生强非线性振动,会对机 械传动系统的工作性能、稳定性和可靠性产生很 大的影响,也会影响齿轮传动副的寿命、精度和动 态性[1]。随着科学技术不断发展,对齿轮传动精 度、振动、噪声和可靠性等工作特性提出了极为苛
刻的要求。要满足这些要求,就必须深入地研究

提供理论基础。 1

齿轮模型的建立
一个典型的单对齿轮传动系统包括箱体、轴

1.1动力学数学模型的建立

承、支承轴、齿轮副等主要部件。就整个齿轮传动 系统而言,具有明显的质量集中特点,因此,本文 采用集中质量法来建立齿轮传动的动力学模型。 为了便于理论研究,忽略摩擦力及轴向振动,并将 多自由度的齿轮系统可简化为三自由度非线性齿 轮传动系统模型陪31,如图1.1所示。由牛顿力学 定理可得该系统的运动微分方程为:
仇gly“jl+f61 y_l+“(z’+y名l—y幺一P’)十七6l^l (y91)+志^(f)^(z+yFl+yj2一e)。一F6l mj2y”口+f62y 7F2+“(z’+y01一y幺一P’)+愚62九

齿轮系统的动态特性,为设计出高速、高效的齿轮

收稿日期:2008一05一09 修回日期:2008一06—26

(y92)+志^(≠)^(z+ygl+y92一e)=R2 m。1y”萨+“(,+以1一y02一P’)+是^(£)厂^(z+儿l+
yF2一P)=F。+F4t(£)

作者简介:邵寅(1986一),男,本科在读。 研究方向:机械工程,齿轮传动。
EI-mail:shaoyin001@126.com

其中:z(£)=簪以。(£)一譬六:(£),m。l=
55

万   方数据

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第2期
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船海





第38卷

95、y分别表示齿轮的扭转位移和横向振动位 移,m,,为齿轮副的等效质量,F。为齿轮系统传递 的平均力,E丁(£)为外部激励,志.(£)为随时间变化 的啮合刚度。

图2.1三自由度齿轮系统模型

2.2碰撞约束的确定

1mpact碰撞函数:用刚度系数和阻尼系数来 计算碰撞力。Rstitution碰撞函数:用恢复系数
来计算碰撞力。由于刚度系数和阻尼系数便于计

算,一般采用Impact函数[7 8|。其表达式为:
从神靶m正,山Ⅱ‘

图1.1三自由度齿轮系统模型

MAx{o,K(q0一q)’。c×挈×sTEP(q,qo—d,1,q。,
O)}

1.2实体模型建立 以数学模型为理论依据和指导,利用大型三

式中: q为两接触物体的实际距离

维CAD设计软件UG建立齿轮传动系统三自由 度实体模型。依据标准渐开线方程和齿根过度圆 方程建立直齿圆柱齿轮模型。
表l输入输出齿轮各参数 名称 齿数模数齿宽(mm)压力角(。)

q0为两碰撞物体的参考距离
K为刚度系数 C为阻尼率

d为阻尼率达到最大值所经过的距离用 STEP函数来防止碰撞过程巾阻尼变化的不连续
性,如果q>q0,则F_1mpact一0 2.3齿轮系统动力学仿真分析 设定输入恒定转速为2100。/s,恒定负载为 5000Nmm,箱体材料的弹性模量E一2.05×
105 Mpa,泊松比_“一o.27,密度p一7.82×10.6

并创建箱体、轴承等实体模型。经过装配得 到系统整体三维模型。将整个齿轮系统实体模型 以parasolid形式导出gear一-t文件并保存。 2

ADAMS仿真分析

kg/mm3。在ADAMS/Solver模块下对齿轮系统 进行动态仿真。得到输出齿轮的振动曲线如2.2 所示。经过傅立叶变换后如图2.3所示。由于可 以齿轮系统的最大振动幅值时的频率为141. 27Hz,与理论计算啮合频率值:24×2100/360= 140Hz基本相符。

2.1齿轮传动系统虚拟样机建立 在ADAMS/VIEW环境下导入gear.x—t文

件。并对齿轮系统施加各种约束:各齿轮轴和轴 承上加旋转副,两齿轮之间加实体和实体碰撞约 束,输入轴上加转速驱动,输出轴上加负载扭矩,
齿轮和轴之间用扭簧连接[4。6]。并且为真实反映

箱体弹性的影响,在箱体和地面间用阻簧连接,从 而建立完整的齿轮传动虚拟样机模型。如图2.1
所示。

56

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齿轮传动系统动态特性研究与仿真——邵

寅,张益波

图2.2输出齿轮振动位移曲线

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图2.3振动曲线的幅频图

当输入转速出现正弦波动时,它将对齿轮振动产生调制作用,其输出齿轮振动曲线如2.4所示。

图2.4输入波动下的动态响应

当啮合刚度K=100000Nmm,阻尼c一5Nmm/deg时的振动曲线如图2.5所示

57

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第2期

船海工



第38卷



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图2.5系统振动加速度曲线
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当啮合刚度K=100000Nmm,阻尼c=10Nmm/deg时的振动曲线如图2.6所示
2.5E?∞5

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系统振动曲线

当啮合刚度K=500000Nmm,阻尼c=5Nmm/deg时的振动曲线如图2.7所示




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围2.7

系统振动曲线



结论
本文以三自由度数学模型为指导和理论基

究了以上因素对系统动态响应的影响规律:啮合 刚度的变化对系统的振动影响较小,而啮合阻尼 对系统的振动影响较大。这为进~步研究齿轮传 动系统的静、动态特性奠定了基础。
参考文献

础,运用大型三维设计软件UG建立齿轮系统模 型,然后在对传统的齿轮副扭转振动模型进行动 力学等价变换的基础上,提出了基于ADAMS的 多体动力学仿真方法,利用该方法建立的模型综 合考虑了啮合刚度和啮合阻尼的动态输入,使仿 真结果更加接近真实情况。并通过实例仿真,研
58

[1]刘仁生.齿轮的振动故障研究[J].中国安全科学学
报,Z005,15(2):13—15.

[2]李润方,王建军.齿轮系统动力学[M].北京:科学出
(下转第67页)

万   方数据

机械实验教学改革建议——路素青 和必要性。

整体素质,使自己具备创新能力和创新意识,才能 在教学中引导学生积极思考探索,激发学生的创 新热情,培养学生的创新能力。 1)要提高思想素质,转变教育观念。 2)要努力提高业务素质。 3)不断增加自己的知识水平,跟上时代的步 伐。 综上所述,我们应该在机械设计实验教学方
面进行一些必要的改革,以便提高学生实践能力

2)重视实验预习。实验前预习是做好实验的 前提,要求学生每做试验前充分做好预习,明确实 验目的和要求,了解实验仪器的基本构造和使用
方法,实验的基本操作规程有哪些,找出实验中的

重点、难点。可使学生实验中做到心中有数,少出
错误,同时还有利于培养自学能力。 3)加强对学生实验课现场的考核。实验指导

教师当场检查学生的实验记录和数据,随时向学 生提问,以检查学生是否自己动手做实验,杜绝实 验数据的抄袭现象;实验原始数据经指导教师审 阅后方为有效,如有问题安排重做;鼓励遵守规程
下的大胆创新。

和创新能力,增强科研创新意识;培养高素质创新 人才,迎接知识经济的挑战。
参考文献

4)把好实验报告关。严格要求,鼓励创新。

[1]张建辉.改革机械设计实验教学培养学生的创新能力 [J].高校实验室工作研究,2003(2).

4加强实验室队伍建设,提高教师 自身素质
实验教学的改革,对实验人员的业务素质及

[2]吴少雄.工业工程专业实验教学体系的设计与实施 [J].嘉兴学院学报,2005(17). [3]朱维兵.机械基础系列课程实验教学改革思路[J].西
华大学学报,2004(12).

教学水平也提出了更高的要求。组建一支技术 精、能力强、结构合理、热爱本职工作的实验教学 师资队伍是保证实验教学改革正常运行,教学质
量能否提高的重要保障,是培养人才的关键。因

[4]熊静奇,丁杰雄.机械制造专业实验教学模式的探索 与改革[J].实验科学与技术,2005(10). [5]杨良玖,邹运梅,全腊珍等.深化改革,提高农业院校 机械基础实验室管理水平[J].科技信息,2006(8).

此,作为指导教师应该不断学习,不断提高自身的
(上接第58页)
版社,1997.

的动力学模型[J].机械工程学报,
51.

2000,8(36):47—

[3]Bouillaut

L,sidahmed

M. Cyclostationary Approach
to

[6]李金玉,勾志践,李媛.基ADAMS的齿轮啮合过程 中齿轮力的动态仿真[J].机械工程学报,2005,3:15-
17.

and Bi“near Approach:Comparison,Applications

Early Diagnosis for Helicopter Gearbox and Classifi— cation

Method Based

on

HOCS[J].Mechanical

Sys—

[7]李

昌,韩

兴,孙志礼.基于PR0/E和ADAMs的

tems and Signal Processing,2001,15(5):923—943.

齿轮啮合精确动力学仿真[J].机械与电子,2008(1):
55—58.

[4]洪清泉,程

颖.基于ADAMs的多级传动系统动力

学仿真[J].北京理工大学学报,2003,12(6):690一
693.

[8]孙中平.基于ADAMs的齿轮减速器动力学仿真[J]. 交通科技与经济,2007,4:77—79.

[5]孙月海,张策,潘凤章.直齿圆柱齿轮传动系统振动

67

万   方数据

齿轮传动系统动态特性研究与仿真
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 邵寅, 张益波, SHAO Yin, ZHANG Yi-bo 浙江理工大学机械与自动控制学院,浙江,杭州,310018 船海工程 SHIP & OCEAN ENGINEERING 2009,38(2)

参考文献(8条) 1.孙中平 基于ADAMS的齿轮减速器动力学仿真[期刊论文]-交通科技与经济 2007(4) 2.李昌;韩兴;孙志礼 基于PRO/E和ADAMS的齿轮啮合精确动力学仿真[期刊论文]-机械与电子 2008(01) 3.李金玉;勾志践;李媛 基ADAMS的齿轮啮合过程中齿轮力的动态仿真 2005 4.孙月海;张策;潘凤章 直齿圆柱齿轮传动系统振动的动力学模型[期刊论文]-机械工程学报 2000(36) 5.洪清泉;程颖 基于ADAMS的多级传动系统动力学仿真[期刊论文]-北京理工大学学报 2003(06) 6.Bouillaut L;Sidahmed M Cyclostationary Approach and Bilinear Approach:Comparison,Applications to Early Diagnosis for Helicopter Gearbox and Classification Method Based on HOCS 2001(05) 7.李润方;王建军 齿轮系统动力学 1997 8.刘仁生 齿轮的振动故障研究[期刊论文]-中国安全科学学报 2005(02)

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_whzc200902017.aspx


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