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行星減速機星形齒輪構造研究與分析

來源: 時間:2016-03-24 10:20:08 瀏覽次數(shù):

行星減速機星形齒輪構造研究與分析

行星減速機星形齒輪構造受力性解析
顯式動力學有限元理論顯式有限元算法的控制方程描述如下。
顯式有限元程序采用Lagrange描述增量法,其相關方程如下
1)動量方程ij+fi=xi(1)式中,ij為柯西應力;為密度;fi為單位質量體積力;xi為加速度。
2)能量方程為E=Vsijij-(p+g)V(2)式中,V為現(xiàn)時構形體積;ij為應變率張量;q為體積黏性阻力;sij、p分別為偏應力與壓力,sij=ij+(p+g)ij,p=-13ijij-q.
3)質量守恒方程為=J0(3)式中,J為雅可比行列式;0為初始質量密度。
4)其邊界條件中面力邊界條件情況如下ijni=ti(t)在S1面力邊界上式中,ni(i=1,2,3)為現(xiàn)時構形邊界S1的外法線方向余弦;ti(i=1,2,3)為面力載荷。位移邊界條件xi(Xj,t)=Di(t)在S2上的邊界條件式中,Xj(j=1,2,3)為初始位移;Di(t)(i=1,2,3)為給定位移函數(shù)。
       滑動接觸面間斷處的跳躍條件為(+ij-ij)nj=0,當x+i=x-i接觸時沿接觸邊界S0。行星減速機行星齒輪參數(shù)及材料屬性行星齒輪結構各個齒輪的參數(shù)設置為:模數(shù)為4,壓力角為20,齒寬為50mm,太陽輪、行星輪、內齒圈的齒數(shù)分別為:21、24、69.其中太陽輪行星輪的材料為Cr-Ni-Mo合金鋼,其內齒圈采用42CrMo合金鋼。
       行星減速器 太陽輪和行星輪的彈性模量為2.081011Pa,密度為7.9103kg/m3,泊松比為0.3,內齒圈的彈性模量為2.061011Pa.模型單元選擇在ANSYS前處理器中,對行星齒輪系齒輪接觸模型,選擇實體solid164單元與殼shell163單元,在進行網(wǎng)格處理時利用該薄殼單元對齒輪孔內表面進行劃分網(wǎng)格。對有限元模型中的較硬部分定義為剛性體,可減少顯式分析的運算時間。因為對其定義為剛性體后,剛性體所有節(jié)點的自由度都將耦合到剛性體的質量中心。在剛性體上受到的力與力矩由各個時間步的節(jié)點力與力矩合成,根據(jù)計算的剛性體的運動,再將其轉換為節(jié)點的位移<3>。
模型網(wǎng)格劃分對于減速機 齒輪結構將其建成規(guī)則的六面體模型可加快運算速度,避免出現(xiàn)網(wǎng)格畸變產生沙漏現(xiàn)象。本文是在Pro/E中建模,將生成模型轉化為。iges格式導入到ANSYS中,對各個齒輪進行切分,切分后的齒輪如所示;然后對其進行布爾操作,得到完整的齒輪模型。
利用網(wǎng)格劃分工具對齒輪各個線段指定要進行分割單元的個數(shù),對整個齒輪三維模型劃分網(wǎng)格可得齒輪的有限元模型,其中對行星齒輪、太陽輪及內齒圈的分網(wǎng)過程是一樣的,得到整個行星輪系的有限元模型如4所示<4>。
       行星齒輪切分模型齒輪有限元模型2.5模型約束及接觸設置ANSYS的前處理器可對行星齒輪輪系自由度進行約束,并對其加載相應的載荷。重型載貨汽車輪邊減速機構,其動力輸入來自驅動橋半軸,太陽輪與半軸花鍵浮動連接,軸端用卡箍固定,在加載的過程中對太陽輪其內孔殼單元設置為剛體約束全部的位移,同時約束除Z方向的全部轉動自由度,并在Z方向施加30rad/s的轉速;行星輪與行星架固定連接,作為動力的輸出機構,對行星輪內孔施加除Z方向的位移約束,并限制其X、Y方向的轉動自由度,施加在行星齒輪內孔的轉矩為100Nmm,其方向與轉速的方向相反;內齒圈作為動力的中間轉換機構,與驅動橋外殼固定連接,故而對內齒圈的外表面進行全部的約束。
       在LS-DYNA程序中,可以對不同運動的物體進行接觸設置,其接觸不是用接觸單元進行模擬的,而是用可能接觸的接觸表面進行模擬,并在程序中指定相應的接觸類型及接觸參數(shù),程序在運算過程中就可以避免接觸表面之間不發(fā)生穿透,可設置接觸表面在相對運動時的摩擦因數(shù)。為了使模擬結果具有較為真實的效果,可對接觸界面的控制選項進一步控制,主要包括接觸剛度控制、接觸搜索方法控制、接觸深度控制以及接觸片節(jié)點的順序的自動定向等。該程序的接觸分析功能易于使用且功能強大,有40多種接觸類型可以求解下列接觸問題:變形體對變形體的接觸、變形體對剛體接觸、剛體對剛體的接觸等接觸類型<5>。對減速機 行星齒輪系進行變形體對變形體的接觸設置,以便對齒輪進行動力學分析。據(jù)設置的Part對模型共設置6個接觸對,分別是行星輪太陽輪、行星輪內齒圈,并將接觸對設置為面面接觸,這對于主從面段的區(qū)分不是很重要時,以及物體間有較大滑移時其接觸設置非常有效,齒輪在動態(tài)接觸的過程中動態(tài)摩擦因數(shù)設置為0.3.
計算求解及其結果分析LS-PREPOST是LSTC公司專門為LS-DYNA求解器開發(fā)的后處理器,它能提供快速的后處理功能,能夠實現(xiàn)查看結果的形、動畫顯示與輸出、結果數(shù)據(jù)的示與分析等功能,在程序運算結束后將會生成D3plot文件,該文件是計算結果文件,包含了所有的模型信息與計算結果信息。打開生成的D3plot文件,得到其運算后的結果如所示。
       結論利用顯式動力學分析軟件對減速機 行星齒輪結構進行了動態(tài)的接觸仿真分析,模擬了結構的運動過程以及在運動的過程中應力的變化,該方法對現(xiàn)實的設計生產具有一定的指導意義。對行星齒輪結構產生最大應力的原因的研究,有助于解決在設計生產中產生的輪齒斷裂、振動噪聲等結構的損壞,對行星齒輪減速機 齒輪結構的設計與分析具有一定的指導作用。
從分析中可以得到以下幾點研究內容:
1)齒輪在動態(tài)運動過程中,其應力在輪齒接觸碰撞處產生突變,應力最大。這是由于在齒輪運動過程中,輪齒載荷的突然加載,造成了應力集中,從而可知輪齒的動態(tài)接觸碰撞是造成輪齒破壞的一個主要原因。在結構設計的過程中,我們可增加嚙合齒輪的齒數(shù)、應用斜齒輪等方法使加載在輪齒上的載荷較小且平緩加載。
2)從行星齒輪結構的接觸分析及太陽輪與行星輪的接觸分析中可知,主動輪在接觸碰撞過程中受力最大,兩種分析的輪齒接觸應力受力情況一致。東莞紐格爾行星傳動設備有限公司生產精密行星減速機

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