推土機終傳動齒輪的模態(tài)分析

2013-06-10 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者: 袁衛(wèi)華來源: 萬方數(shù)據(jù)
關鍵字: 齒輪模態(tài)分析有限元分析 ANSYS
推土機終傳動齒輪在工作過程中受到周期性載荷力的作用,有可能在標定轉(zhuǎn)速內(nèi)發(fā)生強烈的共振,動應力急劇增加,致使齒輪過早出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)疲勞和彎曲疲勞,因此有必要研究其振動特性。運用有限元分析理論,借助計算機軟件ANSYS,建立了精確的齒輪參數(shù)化模型,對齒輪的模態(tài)特性進行有限元分析,得到了齒輪的固有頻率和振型,并將分析結(jié)果以振型圖的形式直觀地顯示出來。采用單點激勵多點響應的敲擊測試方法,測量各敲擊點的頻響函數(shù),得到的齒輪主要模態(tài)頻率值與有限元分析結(jié)果相符。采用有限元模態(tài)分析方法可用于齒輪的振動分析、頻率分析、噪聲分析以及齒輪的響應分析和老產(chǎn)品的改進設計,為解決工程結(jié)構(gòu)的振動問題提供了可靠的依據(jù),也提高了設計效率。

大功率履帶式推土機的傳動系統(tǒng)主要包括發(fā)動機、液力變矩器、變速器、中央傳動、轉(zhuǎn)向離合器和制動器、終傳動以及行走系統(tǒng)。其中終傳動結(jié)構(gòu)主要采用平行軸式和行星齒輪式,以實現(xiàn)進一步的減速增矩。某型推土機終傳動采用平行軸式圓柱齒輪傳動方式,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

推土機終傳動齒輪的模態(tài)分析ansys結(jié)構(gòu)分析圖片1

圖1 終傳動結(jié)構(gòu)圖

終傳動齒輪在工作過程中受到周期性載荷力的作用,有可能在標定轉(zhuǎn)速內(nèi)發(fā)生強烈的共振,動應力急劇增加,致使齒輪過早出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)疲勞和彎曲疲勞。靜力學計算不能完全滿足設計要求,因此有必要對齒輪進行模態(tài)分析,研究其振動特眭,得到固有頻率和主振型(自由振動特性)。固有頻率反映結(jié)構(gòu)的剛性指標,同時也是判斷結(jié)構(gòu)在動力作用下是否會發(fā)生共振的依據(jù),而結(jié)構(gòu)的主振型與其動力反應的發(fā)生狀態(tài)有密切關系,可以直觀地判別結(jié)構(gòu)固有頻率的分布范圍及各部件發(fā)生振動時相互耦合的程度。同時,模態(tài)分析也是其它動力學分析如諧響應分析、瞬態(tài)動力學分析和譜分析的基礎。

筆者運用有限元方法對推土機終傳動齒輪進行模態(tài)分析,并與試驗結(jié)果進行對比,為齒輪動態(tài)設計提供了有效的方法。

1有限元建模

齒輪的齒廓形狀較為復雜,在ANSYS中直接建模有一定的難度,考慮到其與多數(shù)繪圖軟件具有良好的數(shù)據(jù)接口,可以方便的轉(zhuǎn)化,而proe軟件以其參數(shù)化、全相關的特點在零件造型方面表現(xiàn)突出,可以通過參數(shù)控制模型尺寸的變化,因此本文采用通過proe軟件對齒輪進行參數(shù)化建模,然后將模型導入到ANSYS軟件中的方法?？紤]到齒輪形狀復雜,采用自適應網(wǎng)格劃分技術,單元類型選擇8節(jié)點四面體單元Solid45,共劃分節(jié)點11617個,單元39086個,劃分好的有限元模型如圖2所示。

推土機終傳動齒輪的模態(tài)分析ansys結(jié)構(gòu)分析圖片2

圖2 齒輪的有限元網(wǎng)格劃分

由于計算齒輪處于自由狀態(tài)時的模態(tài)值,所以對齒輪不施加外載荷。選擇ANSYS中的模態(tài)分析模塊,運行有限元程序。ANSYS提供了7種模態(tài)提取方法,筆者采用BlockLallczos法,該方法精確度和Subspace法一樣,收斂速度更快。

2 結(jié)構(gòu)動力學方程4試驗測試

齒輪箱體的振動可假設為一個具有n,個自由度的線性系統(tǒng)運動,其振動微分方程為:

推土機終傳動齒輪的模態(tài)分析ansys結(jié)構(gòu)分析圖片3

結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型轉(zhuǎn)化為特征值和特征向量的問題。
3 齒輪模態(tài)分析結(jié)果

由于齒輪所受載荷的頻率一般較低,齒輪的振動是低階模態(tài)起主導作用,而高階模態(tài)對齒輪的振動影響較小,所以本文只對齒輪的前三階振型進行分析。通用后處理器可以為我們提供各階振型的頻率和位移等數(shù)據(jù),各階振型圖能清晰、直觀地反映出整個輪齒的位移分布狀況。

齒輪的各階振型圖如圖3所示,前三階振動的固有頻率、最大位移量見表1。

推土機終傳動齒輪的模態(tài)分析ansys結(jié)構(gòu)分析圖片4

表1 前三階振動的有限元計算結(jié)果

4 試驗測試

為了將試驗結(jié)果與有限元分析結(jié)果進行對比,模態(tài)試驗齒輪采用相同的邊界條件。筆者采用了單點激勵多點響應的敲擊測試方法,測量各敲擊點的頻響函數(shù)。每組測點平均5次,測試系統(tǒng)主要包括沖擊錘、加速度傳感器、力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、微機和分析軟件。試驗模擬自由狀態(tài),用彈性較好的橡皮繩將齒輪懸掛起來。使用沖擊錘敲擊齒輪,使其在激勵下產(chǎn)生振動。利用加速度傳感器測得響應,由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測并放大輸入輸出信號,并將信號轉(zhuǎn)換成一定模式,最后振動分析系統(tǒng)軟件通過對參數(shù)識別得到頻響函數(shù)幅值集總平均曲線圖,從而得到齒輪的主要模態(tài)頻率值,如表2所示。

推土機終傳動齒輪的模態(tài)分析ansys結(jié)構(gòu)分析圖片5

圖3 前三階振型圖

推土機終傳動齒輪的模態(tài)分析ansys結(jié)構(gòu)分析圖片6

表2 有限元計算與試驗結(jié)果對比

5 分析與結(jié)論

(1)齒輪作為推土機傳動系統(tǒng)裝置的重要零件,必須具有較高的結(jié)構(gòu)剛度。通過上面的計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),該齒輪前三階模態(tài)的固有頻率都在65000Hz以上,說明該齒輪整體固有頻率較高,遠離正常工作頻率30—600Hz,齒輪的剛性比較好。齒輪振動的相對位移量較小,振動很小,具有較高的局部剛度,從而保證了推土機傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(2)將ANSYS有限元分析結(jié)果與模態(tài)試驗數(shù)據(jù)相比,誤差較小,表明ANSYS模態(tài)分析較為合理,選擇8節(jié)點四面體單元能較好地反映齒輪的動態(tài)剛度特性。

(3)筆者采用的有限元模態(tài)分析方法可用于齒輪的振動分析、頻率分析、噪聲分析以及齒輪的響應分析和老產(chǎn)品的改進設計,可提高設計效率。

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