基于ADAMS的直齒圓柱齒輪動態(tài)性能仿真分析

王春明,張 磊,張 彭

(1.徐州博遠(yuǎn)傳動機(jī)械有限公司,江蘇 徐州 221100;2.徐州工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 徐州 221018)

0 引言

直齒圓柱齒輪是齒輪傳動中的關(guān)鍵部件,廣泛應(yīng)用于短距離傳動場合,主要用于減速器、變速箱、組合傳動輪系,具有傳動平穩(wěn)、工作效率高、無軸向分力等特點。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展,相關(guān)領(lǐng)域?qū)τ邶X輪組傳動的精確性、平穩(wěn)性提出了更高的要求,特別是一些高精密儀器,任意齒輪對的傳動情況都會對儀器的工作性能造成影響,因此對齒輪組的工作特性進(jìn)行深入研究顯得尤為必要。

基于齒輪組實體的研究工作周期長、成本高、測量分析誤差較大,所能研究的內(nèi)容也受測量方式等的諸多限制,其研究效率較低。隨著虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展,虛擬仿真軟件趨于成熟,使用虛擬仿真技術(shù)對齒輪組進(jìn)行仿真研究具有周期短、成本低、研究內(nèi)容豐富多樣、數(shù)據(jù)測量計算準(zhǔn)確等諸多優(yōu)點。目前,有許多專家學(xué)者在對齒輪傳動動力學(xué)特性進(jìn)行研究分析,王曉芳等[1]利用Pro/E軟件建立動車組齒輪箱模型,利用ADAMS對其進(jìn)行動力學(xué)仿真分析,計算得到齒輪箱齒輪的角速度、齒輪間嚙合力,并進(jìn)行對比分析;朱玉泉等[2]利用Solidworks建立減速器行星齒輪傳動三維模型,利用ADAMS對其進(jìn)行運動學(xué)仿真分析,獲取輸出角速度及角加速度,以此分析行星齒輪系統(tǒng)傳動的平穩(wěn)性和可靠性;蔡曉娜[3]建立直齒圓柱齒輪動力學(xué)模型,對其轉(zhuǎn)速及動態(tài)嚙合力進(jìn)行仿真分析,研究結(jié)果為直齒圓柱齒輪傳動性能改善、振動噪聲的減小及嚙合特性的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

本文利用虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)對直齒圓柱齒輪組進(jìn)行深入研究與分析,通過ADAMS軟件建立直齒圓柱齒輪的虛擬樣機(jī)模型,獲取主動齒輪及從動齒輪的轉(zhuǎn)動角速度,并對主動齒輪添加負(fù)載,獲取直齒圓柱齒輪嚙合齒對的嚙合力,相關(guān)數(shù)據(jù)為直齒圓柱齒輪的有限元分析提供理論依據(jù)。

1 直齒圓柱齒輪實體模型建立

本文研究的直齒圓柱齒輪組為減速齒輪組,由一大一小兩個齒輪組成,其中小齒輪作為主動輪,大齒輪作為從動輪。齒輪組的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 齒輪組參數(shù)

根據(jù)表1中主動齒輪及從動齒輪相關(guān)參數(shù),在Solidworks中繪制主動齒輪及從動齒輪的三維實體模型,進(jìn)行裝配,得到主動齒輪與從動齒輪相互嚙合的齒圓柱齒輪組,裝配體模型如圖1所示。

2 直齒圓柱齒輪動力學(xué)仿真分析

在建立正確的直齒圓柱齒輪組三維實體模型基礎(chǔ)上,利用ADAMS軟件建立虛擬樣機(jī)模型,對齒輪組進(jìn)行動力學(xué)仿真,并對齒輪動態(tài)特性進(jìn)行分析。

2.1 建立直齒圓柱齒輪虛擬樣機(jī)模型

將直齒圓柱齒輪三維實體模型另存為Parasolid(*.x t)格式導(dǎo)入ADAMS軟件,對其進(jìn)行過約束檢查[4],在Solidworks中對模型建立不正確的結(jié)構(gòu)、配合進(jìn)行修改,重新導(dǎo)入ADAMS軟件,直至模型驗證正確。在ADAMS中對直齒圓柱齒輪虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行前處理,設(shè)置模型相關(guān)材料屬性,定義部件材料屬性為steel。而后設(shè)置零部件之間的運動副關(guān)系,如表2所示。

為了模擬直齒圓柱齒輪傳動實際工況,利用仿真軟件接觸力功能模擬兩輪齒之間的嚙合力,接觸力相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表3所示[5]。

表3 接觸力參數(shù)

為使直齒圓柱齒輪虛擬樣機(jī)模型運動,需對主動輪添加驅(qū)動函數(shù),為使齒輪轉(zhuǎn)動平穩(wěn),在0～1 s設(shè)置緩沖時間,轉(zhuǎn)速由0逐漸增加至3 000°/s,運動至5 s齒輪停止轉(zhuǎn)動,其中STEP函數(shù)設(shè)置為STEP(time,0,0,1,3 000 d),為模擬實際工況,需對主動齒輪添加負(fù)載450 kN。同樣在0～1 s設(shè)置緩沖時間,負(fù)載由0逐漸增加至450 kN,STEP函數(shù)設(shè)置為STEP(time,0,0,1,450 000),其中設(shè)置完成的直齒圓柱齒輪虛擬樣機(jī)模型如圖2所示。在此基礎(chǔ)上,設(shè)置仿真時間5 s,仿真步長1 000步,對其進(jìn)行動力學(xué)仿真。

圖2 虛擬樣機(jī)模型

2.2 動力學(xué)仿真結(jié)果分析

對建立的直齒圓柱齒輪虛擬樣機(jī)模型,根據(jù)實際工況,添加驅(qū)動函數(shù)及負(fù)載后,對其進(jìn)行動力學(xué)仿真,對仿真結(jié)果進(jìn)行分析,得到主從齒輪輸入角速度如圖3所示。

圖3 主動輪角速度

從圖3能夠得出在0～1 s屬于緩沖期,主動輪角速度由0逐漸增加至3 000°/s,防止角速度的突變造成仿真誤差。1～5 s主動輪角速度保持平穩(wěn),角速度維持在3 000°/s,直齒圓柱齒輪平穩(wěn)轉(zhuǎn)動,在此階段得到的齒輪動力學(xué)參數(shù)較為準(zhǔn)確,誤差較小,獲取從動齒輪輸出角速度變化曲線如圖4所示。

圖4 從動輪角速度

從圖4能夠得出,從動輪在0～1 s,從動輪角速度逐漸增加至最大值,曲線走勢與主動輪角速度變化曲線走勢一致,其角速度最終在2 040°/s上下范圍內(nèi)小幅波動,仿真計算得其傳動比約為1.47,與理論傳動比相等,驗證了虛擬樣機(jī)模型的準(zhǔn)確性[6]。1 s之后曲邊呈現(xiàn)周期性變化趨勢,主要是由于齒輪在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)階段進(jìn)行周期性嚙合引得的,而波動是由于直齒圓柱齒輪在相互嚙合過程中的振動、碰撞噪聲所引起的[7],獲取主動輪施加載荷曲線如圖5所示。

從圖5可知,在0～1 s時間內(nèi),負(fù)載由0逐漸增加至450 kN;在1～5 s時間內(nèi),保持穩(wěn)定負(fù)載輸入,為主動輪施加負(fù)載模擬實際工況后,通過軟件功能求解出齒輪對接觸力的動態(tài)變化過程,如圖6所示。0～1 s的過程中,接觸力峰值不斷增大,且呈現(xiàn)波動趨勢,于1 s左右接觸力達(dá)到最大[8],1 s之后接觸力變化呈現(xiàn)周期性波動,表明齒輪間在嚙合過程中有明顯的沖擊現(xiàn)象。

圖6 直齒圓柱齒輪嚙合齒對的動態(tài)嚙合力

3 結(jié)語

通過建立直齒輪輪組的虛擬樣機(jī)模型,根據(jù)實際工況對主動輪施加實際負(fù)載以及轉(zhuǎn)速,對其進(jìn)行動力學(xué)仿真分析,得到從動輪的輸出轉(zhuǎn)速,計算其傳動比等于理論傳動比,驗證了虛擬樣機(jī)模型的準(zhǔn)確性。通過對輪齒嚙合力的仿真分析,得出嚙合力處于周期性波動的結(jié)論,對于研究齒輪組共振頻率具有一定的意義,有利于深入研究齒輪組噪聲以及振動,以便提升運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。