大功率行星齿轮箱是机械装备中的关键设备, 为了提高传动质量, 保证良好的运行状况, 在设计阶段进行齿轮啮合力及结构强度分析, 确定结构设计的合理性和有效性, 具有重要的工程应用价值。本文建立了某大功率行星齿轮箱的虚拟样机[1], 得出了齿轮动态啮合力以及变化规律, 为系统的进一步的震动和噪声分析提供依据。
1 齿轮传动的动力学模型
利用ADAMS对行星轮系中的太阳轮与行星轮进行齿轮传动的动力学仿真, 得出齿轮在传动时的转速、扭矩、切向力、径向力和啮合力的变化曲线, 及其影响规律。
1.1 建立传动系统三维实体模型
某大功率行星传动斜齿轮参数如表1所示, 利用前面的齿轮二次开发软件自动生成齿轮模型, 并完成装配。
1.2 建立三维装配模型
把传动系统装配图导入UG, 再通过UG中file/Export/parasolid将其导出为*.x_t格式, 然后将其导入到ADAMS中, 同时赋予齿轮材料属性。
1.3 动力学仿真模型的创建
1) 接触力的计算。
本文采用ADAMS中的冲击函数法[2] (Impact) 计算接触力, 表达式为:
式中:q0—碰撞过程中的两物体的实际距离;
q—两物体的初始距离;
K—刚度系数;
e—碰撞指数;
Cmax—最大阻尼系数;
d—切入深度。
(1) 刚度系数K的计算与选取:
p1, p2分别为太阳轮与行星轮的半径;
v1, v2为两个物体材料的泊松比;
E1, E2为两个物体材料的弹性模量。
根据齿轮材料查得其弹性模量E=2.06×105MPa, 泊松比μ=0.259, p1=182.058mm, p2=231.7095mm, 代入刚度系数公式可得:K=1.486×106。
(2) 碰撞指数e (force exponent) 。
反映材料的非线性程度, 其推荐值金属与金属材料为1.5, 橡胶为2.2。取e=1.5。
(3) 最大阻尼系数Cmax (damping) 。
表示碰撞能量的损失其值通常设为刚度系数的0.1%~1%。取Cmax=1000。
(4) 切入深度d (penetration depth) 。
表示最大阻尼时的切入深度, 刚切入时没有阻尼力, 随着切入深度的增加, 阻尼力加大, 直到最大阻尼力值。取d=0.1mm。
2) 系统约束和载荷施加。
在两个齿轮轴线建立分别建立一个转动副, 给太阳轮定义一个运动副用以控制驱动转速。为了使转速平稳达到993rpm=5859deg/s, 使用STEP函数使负载在0.2s内作平缓运动即STEP (time, 0, 0, 0.02, 5859d) , 式中time为时间变量, Type为Velocity。根据额定功率5600KW, 计算行星轮力矩载荷, 为了保证施加单向力矩载荷时不出现陡然增加, 故使用STEP函数使负载在0.2s内作平缓运动即STEP (time, 0, 0, 0.02, 68538000) 。最后定义接触力, 建立动力学模型如图1所示。
2 仿真结果分析
2.1 仿真结果
仿真控制设置End time为0.05, Step为500。
1) 对行星轮施加扭矩。
在施加扭矩的过程中先平缓增加再逐渐递增然后在0.02s后达到稳定, 保证在整个过程中没有突变现象。
2) 太阳轮和行星轮的转速变化规律如图2所示。速度变化规律, 可以观察到速度先缓慢增加, 再匀速, 最后在0.02s处达到稳定, 当系统稳定后其传动比为1.27287, 符合实际情况。
3) 轮齿啮合时的切向力Ft变化规律如图3所示。
4) 轮齿啮合时的径向力Fr变化规律如图4所示。
最小径向力Frmin=49833N, 最大径向力Frmax=1.9114×105N, 平均值为。
5) 轮齿啮合时的啮合力Fn变化规律如图5所示。
最小啮合力Fnmin=1.5194×105N, 最大啮合力Fnmax=5.303×105N, 平均值为。
4 结论
1) 得出了大功率行星齿轮箱传动过程中太阳轮和行星轮传动比及动态啮合力大小, 仿真结果跟理论结果相符合。
2) 刚度系数和碰撞系数与啮合力大小成正比, 最大阻尼系数和切入深度与啮合力大小成反比。
仿真结果可以为下一步做齿轮的有限元分析提供基础数据, 也为进一步的产品优化设计提供了依据。使设计人员能够在设计初始阶段就能发现设计缺陷, 为物理样机试验提供更为可靠的依据。
摘要：本文对某大功率行星箱进行设计开发, 在ADAMS中进行约束和载荷的施加, 建立了齿轮啮合动力学仿真模型, 得出了大功率行星斜齿轮在传动过程中的传动比及动态啮合力大小, 为大功率行星齿轮箱的后续设计分析提供支持。
关键词：行星斜齿轮,虚拟样机,啮合力仿真
参考文献
[1] 崔新涛.基于虚拟样机技术的变速器动力学仿真研究[D].天津:天津大学, 2004.
[2] 顾江华, 高建和, 柳青松, 沈金龙.基于ADAMS少齿数齿轮啮合力的仿真[J].信息技术, 2012.