基于ADAMS的直齿圆柱齿轮动态性能仿真分析.pdf

第 15 期2023 年 8 月无线互联科技Wireless Internet TechnologyNo.15August,2023基金项目:徐州市科技计划项目;项目名称:大型高功率密度卷扬行星齿轮减速机的关键制造技术;项目编号:KC21099。作者简介:王春明(1970),男,江苏徐州人,高级工程师,本科;研究方向:行星齿轮减速机。基于 ADAMS 的直齿圆柱齿轮动态性能仿真分析王春明1,张 磊2,张 彭1(1.徐州博远传动机械有限公司,江苏 徐州 221100;2.徐州工程学院 机电工程学院,江苏 徐州 221018)摘要:齿轮传动是机械领域最重要的传动方式,其中直齿圆柱齿轮是使用最为广泛的类型,适应于多种传动场合,主要起到承载以及传动作用。在多数高速或者重载场合中,齿轮组往往承受较大载荷或者啮合次数较多,对齿轮组的工作性能以及使用寿命具有较大的影响。因此对齿轮组的啮合情况进行动态分析具有重要意义。文章通过建立直齿轮组的虚拟样机模型,进行动态仿真分析,对其传动比、齿轮组啮合力以及各齿在工作过程中的动态响应进行深入研究,为直齿圆柱齿轮传动性能改善、啮合特性优化提供理论依据。关键词:直齿圆柱齿轮;动态仿真;啮合力;ADAMS中图分类号:TG86;TP391.41 文献标志码:A0 引言 直齿圆柱齿轮是齿轮传动中的关键部件,广泛应用于短距离传动场合,主要用于减速器、变速箱、组合传动轮系,具有传动平稳、工作效率高、无轴向分力等特点。随着工业技术的不断发展,相关领域对于齿轮组传动的精确性、平稳性提出了更高的要求,特别是一些高精密仪器,任意齿轮对的传动情况都会对仪器的工作性能造成影响,因此对齿轮组的工作特性进行深入研究显得尤为必要。基于齿轮组实体的研究工作周期长、成本高、测量分析误差较大,所能研究的内容也受测量方式等的诸多限制,其研究效率较低。随着虚拟仿真技术的快速发展,虚拟仿真软件趋于成熟,使用虚拟仿真技术对齿轮组进行仿真研究具有周期短、成本低、研究内容丰富多样、数据测量计算准确等诸多优点。目前,有许多专家学者在对齿轮传动动力学特性进行研究分析,王晓芳等1利用 Pro/E 软件建立动车组齿轮箱模型,利用 ADAMS 对其进行动力学仿真分析,计算得到齿轮箱齿轮的角速度、齿轮间啮合力,并进行对比分析;朱玉泉等2利用 Solidworks 建立减速器行星齿轮传动三维模型,利用 ADAMS 对其进行运动学仿真分析,获取输出角速度及角加速度,以此分析行星齿轮系统传动的平稳性和可靠性;蔡晓娜3建立直齿圆柱齿轮动力学模型,对其转速及动态啮合力进行仿真分析,研究结果为直齿圆柱齿轮传动性能改善、振动噪声的减小及啮合特性的优化提供理论依据。本文利用虚拟样机仿真技术对直齿圆柱齿轮组进行深入研究与分析,通过 ADAMS 软件建立直齿圆柱齿轮的虚拟样机模型,获取主动齿轮及从动齿轮的转动角速度,并对主动齿轮添加负载,获取直齿圆柱齿轮啮合齿对的啮合力,相关数据为直齿圆柱齿轮的有限元分析提供理论依据。1 直齿圆柱齿轮实体模型建立 本文研究的直齿圆柱齿轮组为减速齿轮组,由一大一小两个齿轮组成,其中小齿轮作为主动轮,大齿轮作为从动轮。齿轮组的相关参数如表 1 所示。表 1 齿轮组参数部件名称齿数模数/mm压力角/齿宽/mm主动轮171020100从动轮251020100 根据表 1 中主动齿轮及从动齿轮相关参数,在Solidworks 中绘制主动齿轮及从动齿轮的三维实体模型,进行装配,得到主动齿轮与从动齿轮相互啮合的齿圆柱齿轮组,装配体模型如图 1 所示。2 直齿圆柱齿轮动力学仿真分析 在建立正确的直齿圆柱齿轮组三维实体模型基础上,利用 ADAMS 软件建立虚拟样机模型,对齿轮组进行动力学仿真,并对齿轮动态特性进行分析。2.1 建立直齿圆柱齿轮虚拟样机模型 将直齿圆柱齿轮三维实体模型另存为 Parasolid221第 15 期2023 年 8 月无线互联科技技术应用No.15August,2023图 1 直齿圆柱齿轮组装配体模型注:1主动齿轮;2从动齿轮。(.x t)格式导入 ADAMS 软件,对其进行过约束检查4,在 Solidworks 中对模型建立不正确的结构、配合进行修改,重新导入 ADAMS 软件,直至模型验证正确。在 ADAMS 中对直齿圆柱齿轮虚拟样机模型进行前处理,设置模型相关材料属性,定义部件材料属性为 steel。而后设置零部件之间的运动副关系,如表 2所示。表 2 运动副关系部件名称约束关系主动轮与地面转动副从动轮与地面转动副主动轮与从动轮接触副 为了模拟直齿圆柱齿轮传动实际工况,利用仿真软件接触力功能模拟两轮齿之间的啮合力,接触力相关参数设置如表 3 所示5。表 3 接触力参数参数名称参数大小参数名称参数大小力指数1.5滑动摩擦因素0.05穿透深度/mm0.1静摩擦因素0.08静平移速度/(mm s-1)0.01动摩擦速度/(mm s-1)0.1 为使直齿圆柱齿轮虚拟样机模型运动,需对主动轮添加驱动函数,为使齿轮转动平稳,在 01 s 设置缓冲时间,转速由 0 逐渐增加至 3 000/s,运动至 5 s齿轮停止转动,其中 STEP 函数设置为 STEP(time,0,0,1,3 000 d),为模拟实际工况,需对主动齿轮添加负载 450 kN。同样在 01 s 设置缓冲时间,负载由 0 逐渐增加至 450 kN,STEP 函数设置为 STEP(time,0,0,1,450 000),其中设置完成的直齿圆柱齿轮虚拟样机模型如图 2 所示。在此基础上,设置仿真时间 5 s,仿真步长 1 000 步,对其进行动力学仿真。2.2 动力学仿真结果分析 对建立的直齿圆柱齿轮虚拟样机模型,根据实际图 2 虚拟样机模型工况,添加驱动函数及负载后,对其进行动力学仿真,对仿真结果进行分析,得到主从齿轮输入角速度如图3 所示。图 3 主动轮角速度从图 3 能够得出在 01 s 属于缓冲期,主动轮角速度由 0 逐渐增加至 3 000/s,防止角速度的突变造成仿真误差。15 s 主动轮角速度保持平稳,角速度维持在 3 000/s,直齿圆柱齿轮平稳转动,在此阶段得到的齿轮动力学参数较为准确,误差较小,获取从动齿轮输出角速度变化曲线如图 4 所示。图 4 从动轮角速度从图 4 能够得出,从动轮在 01 s,从动轮角速度逐渐增加至最大值,曲线走势与主动轮角速度变化曲线走势一致,其角速度最终在 2 040/s 上下范围内小幅波动,仿真计算得其传动比约为 1.47,与理论传动比相等,验证了虚拟样机模型的准确性6。1 s 之后曲边呈现周期性变化趋势,主要是由于齿轮在稳定运转阶段进行周期性啮合引得的,而波动是由于直齿圆柱齿轮在相互啮合过程中的振动、碰撞噪声所引起的7,获取主动轮施加载荷曲线如图 5 所示。321第 15 期2023 年 8 月无线互联科技技术应用No.15August,2023图 5 主动轮施加负载从图 5 可知,在 01 s 时间内,负载由 0 逐渐增加至 450 kN;在 15 s 时间内,保持稳定负载输入,为主动轮施加负载模拟实际工况后,通过软件功能求解出齿轮对接触力的动态变化过程,如图 6 所示。01 s 的过程中,接触力峰值不断增大,且呈现波动趋势,于 1 s 左右接触力达到最大8,1 s 之后接触力变化呈现周期性波动,表明齿轮间在啮合过程中有明显的冲击现象。图 6 直齿圆柱齿轮啮合齿对的动态啮合力3 结语 通过建立直齿轮轮组的虚拟样机模型,根据实际工况对主动轮施加实际负载以及转速,对其进行动力学仿真分析,得到从动轮的输出转速,计算其传动比 等于理论传动比,验证了虚拟样机模型的准确性。通过对轮齿啮合力的仿真分析,得出啮合力处于周期性波动的结论,对于研究齿轮组共振频率具有一定的意义,有利于深入研究齿轮组噪声以及振动,以便提升运转平稳性。参考文献1王晓芳,宋东升,王旭,等.基于 Pro/E 与 ADAMS的动车组齿轮箱传动动力学分析J.现代制造技术与装备,2023(2):41-42.2朱玉泉,于景华.基于 ADAMS 的行星轮系减速器运行平稳性分析J.机械工程与自动化,2021(4):85-87.3蔡晓娜.基于 ADAMS 的直齿圆柱齿轮动力学仿真J.煤矿机械,2019(9):184-186.4潘毅,许妍妍,樊智敏.双渐开线齿轮柔性多体动力学分析J.机电工程,2022(8):1088-1095.5徐方舟,魏小辉,张明,等.基 ADAMS 的齿轮齿条刚柔耦合啮合分析J.机械设计与制造,2012(7):200-202.6曹国亮,许晶晶,朱海兵,等.直齿圆柱齿轮传动的参数化设计及仿真J.现代制造技术与装备,2021(2):107-108.7刘云霞.高速齿轮传动系统动态性能分析研究D.西安:长安大学,2020.8马敏波,崔焕勇,王成,等.齿轮传动过程中的动力学分析J.现代制造技术与装备,2017(6):8-9.(编辑 沈 强)Simulation analysis of dynamic performance of spur cylindrical gears based on ADAMSWang Chunming1 Zhang Lei2 Zhang Peng1 1.Xuzhou Boyuan Transmission Machinery Co.Ltd.Xuzhou 221100 China 2.School of Mechanical&Electrical Engineering Xuzhou University of Technology Xuzhou 221018 China Abstract Gear transmission is the most important transmission method in the field of machinery among which straight cylindrical gears are the most widely used type suitable for various transmission occasions mainly playing a load-bearing and transmission role.In most high-speed or heavy-duty situations gear sets often bear large loads or engage multiple times which has a significant impact on the working performance and service life of gear sets.Therefore dynamic analysis of the meshing situation of gear sets is of great significance.This article establishes a virtual prototype model of a spur gear group conducts dynamic simulation analysis and conducts in-depth research on its transmission ratio gear group meshing force and the dynamic response of each tooth during the working process providing theoretical basis for improving the transmission performance and optimizing the meshing characteristics of spur cylindrical gears.Key words spur gear dynamic simulation meshing force ADAMS421