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齿轮啮合数值分析建模方法及其应用研究

郝东升  
【摘要】:本论文在国家自然科学基金和国家科技支撑计划的资助下,结合实际工程项目背景,开发了渐开线圆柱齿轮弹性啮合数值分析建模软件,为优化渐开线圆柱齿轮修形参数、精确齿轮强度校核以及行星传动均载特性研究提供有效方法。 随着工业对齿轮箱性能要求的大幅度提升和生产技术的快速发展,高精度硬齿面渐开线圆柱齿轮传动成为工业齿轮箱的主要发展趋势,为改善硬齿面齿轮的应力分布,提高齿轮寿命,降低齿轮箱的振动和噪声,齿轮修形设计已成为提升硬齿面齿轮传动性能不可或缺的核心技术。广泛应用的高效、高精度数控齿轮加工机床普遍具有齿轮修形加工能力,为经济可靠地生产高性能的修形齿轮提供了技术保障,目前迫切需要研究优化齿轮修形参数的设计方法,既显著提高硬齿面齿轮的传动性能又不额外增加成本,最大程度地发挥价格昂贵的齿轮精加工设备的优越性能。此外,齿轮应力精确计算和行星传动均载设计也成为挖掘齿轮极限承载能力提高齿轮传动性能的重要途径。 论文的主要研究内容如下: 提出渐开线圆柱齿轮三维有限元接触分析精细建模方法。编写Matlab程序以齿廓法线法求解齿轮廓线离散点坐标,在ANSYS中离散齿轮实体生成单元—节点拓扑结构,以正则表达式识别拓扑结构和节点坐标转存到SqlServer数据库模型,形成齿轮有限元节点模型。优化方法求解各条接触线方程,在此基础上编写齿轮有限元节点模型几何识别算法识别齿面节点集并规划接触带,导出节点规划的齿轮有限元节点模型,在ANSYS中重建齿轮有限元模型,应用APDL程序实现接触带单元分级剖分细化和多点约束边界单元细化。局部网格细化的齿轮有限元模型经齿面节点精确重建为实现齿轮高精度应力分析和齿轮修形参数优化奠定基础。 提出齿向、齿廓和综合修形的渐开线圆柱齿轮有限元接触分析快速精确建模方法。在局部网格细化的齿轮啮合有限元模型的基础上,按齿向修形函数和齿廓修形函数在齿面节点位置的修形量精确控制齿面节点的渐开线发生线长度,重新求解齿面上的节点坐标,实现直齿轮、斜齿轮、外齿轮和内齿轮的修形齿面节点快速精确重构,在ANSYS中重建齿面节点实现修形齿轮精确齿面快速建模,极大地提高了修形齿轮有限元接触分析建模效率。齿形优化以齿面上应力分布状况作为评价指标,按齿面应力分布趋势变更修形函数重建精确齿面修形的齿轮有限元模型,迭代求解修形齿轮接触问题,直至获得理想的齿面应力分布,完成齿轮修形参数优化。 提出行星传动均载特性有限元多柔体运动模拟评价方法。直齿行星传动可以用平面有限元建模,但是行星传动既存在行星轮自转又存在公转,各行星轮间载荷通过行星架和回转副传递。为了研究行星传动的均载行为,不仅建立了精确的齿轮有限元模型,还以刚度等效的梁单元模拟行星架、多点约束方程模拟回转副,实现行星传动系统的传动过程模拟。


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