油動(dòng)變距無人機(jī)齒輪箱系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

廣東電網(wǎng)能源發(fā)展有限公司 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 楊 先 張寶星 吳偉智 曾 志 秦 理

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是油動(dòng)旋翼變距無人機(jī)的關(guān)鍵動(dòng)部件之一，其作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速按一定的比例傳送到旋翼和所需的附件上。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的好壞，將直接決定油動(dòng)旋翼機(jī)的性能和可靠性。針對油動(dòng)變距無人機(jī)在飛行中遇到的風(fēng)載荷多變以及不穩(wěn)定性，為提升油動(dòng)變距無人機(jī)中齒輪箱的可靠性和安全性，采用有限元方法，基于Ansys workbench對齒輪箱中齒輪的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析與研究。

飛行器從起飛、航行到降落的過程中，將涉及到不同的載荷。一是永久載荷，例如飛行器的機(jī)架重量載荷，在不對飛行器機(jī)架進(jìn)行改裝時(shí)，機(jī)架的質(zhì)量將不會(huì)發(fā)生變化。二是可變載荷，飛行器可變載荷的變化幅度較大，主要取決于飛行器載重物體的重量。三是偶然載荷，飛行器在空中飛行時(shí)，會(huì)遇到不同的風(fēng)載荷工況，存在不確定性。一般而言，齒輪箱在油動(dòng)變距無人機(jī)的工作環(huán)境下較為惡劣，其設(shè)計(jì)也更為復(fù)雜。如果齒輪箱的設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上存在接觸不合理，極有可能導(dǎo)致螺旋槳的旋轉(zhuǎn)變距和發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生共振，導(dǎo)致產(chǎn)品的損壞，從而影響飛行器的飛行性能以及飛行安全。弧齒錐齒輪是目前應(yīng)用最為廣泛的軸相交運(yùn)動(dòng)機(jī)械構(gòu)件，弧齒錐齒輪的耐化學(xué)和防腐蝕性強(qiáng)，具有傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音低、重量輕、減震性能好、高負(fù)荷承載能力強(qiáng)和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。在油動(dòng)變距無人機(jī)的齒輪箱系統(tǒng)中，弧齒錐齒輪副是齒輪箱中最重要的零部件，其常常要應(yīng)對不同風(fēng)荷載的影響，以及發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速帶來的變化，因此需要保證弧齒錐齒輪具有較高的機(jī)械強(qiáng)度；同時(shí)，還要保證齒輪副嚙合之間的動(dòng)態(tài)應(yīng)力符合要求，防止油動(dòng)變距無人機(jī)在空中飛行時(shí)，齒輪副發(fā)生磨損和錯(cuò)位等損壞而導(dǎo)致的不穩(wěn)定因素，將影響油動(dòng)變距無人機(jī)的安全降落。使用有限元方法對弧齒錐齒輪進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，對提高齒輪嚙合傳動(dòng)的連續(xù)性和可靠性具有重要的意義。

本文作者基于Ansys Workbench對油動(dòng)變距無人機(jī)齒輪箱中弧齒錐齒輪進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到齒輪在動(dòng)態(tài)嚙合過程中的受力情況，為實(shí)際模型提供參考。

1 弧齒錐齒輪有限元模型的構(gòu)建

1.1 弧齒錐齒輪三維模型的的建立

油動(dòng)變距無人機(jī)齒輪箱采用的是弧齒錐齒輪傳動(dòng)，在Solid-Works軟件中建立弧齒錐齒輪的三維模型，其詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 弧齒錐齒輪參數(shù)

對某型飛行器齒輪箱的弧齒錐齒輪副進(jìn)行三維建模，并完成模型整體的裝配，主動(dòng)輪如圖1所示，從動(dòng)輪如圖2所示。為了簡化計(jì)算，在此只取齒輪箱里面的齒輪副，其裝配體裝配圖如圖3所示。

圖1 主動(dòng)輪弧齒錐齒輪（小齒輪）

圖2 從動(dòng)輪弧齒錐齒輪（大齒輪）

圖3 裝配圖

1.2 有限元模型的建立

為了計(jì)算簡便，對主動(dòng)輪和從動(dòng)輪去除對結(jié)構(gòu)影響不大的圓角。根據(jù)模型尺寸大小，采用1.5mm網(wǎng)格劃分，為了使接觸分析更加精確，對接觸區(qū)域面的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，并采用0.6mm網(wǎng)格劃分，使用solid187單元，共劃分300408個(gè)單元和470788個(gè)節(jié)點(diǎn)。劃分完成后的網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 弧齒錐齒輪副有限元網(wǎng)格模型

2 弧齒錐齒輪靜力學(xué)分析

將弧齒錐齒輪三維模型導(dǎo)入Ansys Workbench中，對弧齒錐齒輪進(jìn)行靜力分析。齒輪副采用面接觸方式，其中主動(dòng)輪為目標(biāo)面，從動(dòng)輪為接觸面。摩擦參數(shù)為0.1，并對齒輪副模型賦予材料屬性。弧齒錐齒輪副材料為42CrMoA合金結(jié)構(gòu)鋼，材料參數(shù)如表2所示。

表2 材料參數(shù)

扭矩跟發(fā)動(dòng)機(jī)的功率以及轉(zhuǎn)速有關(guān)，其轉(zhuǎn)換的公式為：

式(1)中，T為扭矩，P為功率，n為轉(zhuǎn)速。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為6000r/min，功率取最大功率值，為14.9kw，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩為23.7N.m，經(jīng)過1:3.2轉(zhuǎn)速比后，主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速為1875r/min，輸入的扭矩為75.84N.m，在經(jīng)過1:1.8的二級弧齒錐齒輪減速，則從動(dòng)輪的輸出扭矩為151.68N.m。

設(shè)置相關(guān)的鏈接關(guān)系，并求解。由圖5和圖6，弧齒錐齒輪的最大等效應(yīng)力為410.88MPa,齒輪的接觸應(yīng)力小于42CrMoA合金結(jié)構(gòu)鋼的許用應(yīng)力值，為930Mpa，結(jié)果表明，齒輪副系統(tǒng)滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖5 弧齒錐齒輪靜力分析1

圖6 弧齒錐齒輪靜力分析2

3 弧齒錐齒輪瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

動(dòng)力學(xué)分析不同于靜力學(xué)分析，前者具有時(shí)變性，且需要考慮慣性力，后者只有一個(gè)單一的解。動(dòng)力學(xué)是用來確定慣性（質(zhì)量效應(yīng)）和阻尼引起重要作用時(shí)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件動(dòng)力學(xué)特性的技術(shù)。動(dòng)力學(xué)分析主要有模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、譜分析等。

本文基于Ansys Workbench有限元分析軟件，對弧齒錐齒輪系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。并通過有限元軟件，對弧齒錐齒輪分析過程中的應(yīng)力大小進(jìn)行提取。設(shè)置小齒輪為主動(dòng)輪，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.1，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速設(shè)置為1875r/min。從動(dòng)輪扭矩設(shè)置為151.68N.m，分析出齒輪在運(yùn)動(dòng)過程當(dāng)中的嚙合應(yīng)力情況，如圖7所示，為某一時(shí)刻的弧齒錐齒輪等效應(yīng)力云圖。如圖8所示，為弧齒錐齒輪的應(yīng)力時(shí)變曲線。通過對齒輪的各個(gè)時(shí)刻應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，弧齒錐齒輪的應(yīng)力最大值在831.74MPa，滿足設(shè)計(jì)930MPa強(qiáng)度要求。

圖7 弧齒錐齒輪瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

圖8 弧齒錐齒輪時(shí)變曲線圖

結(jié)語：建立了齒輪箱中弧齒錐齒輪副的完整齒輪系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析模型，應(yīng)用有限元數(shù)值分析方法，對弧齒錐齒輪系統(tǒng)進(jìn)行了靜力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析，結(jié)果表明，油動(dòng)變距無人機(jī)齒輪箱中的弧齒錐齒輪副滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，為油動(dòng)變距無人機(jī)設(shè)計(jì)提供了一定的理論參考依據(jù)，同時(shí)為油動(dòng)變距無人機(jī)齒輪箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。