一種齒輪傳動系統動力學分析模塊化建模方法技術方案

本發明專利技術公開了一種齒輪傳動系統動力學分析模塊化建模方法，根據齒輪傳動系統構型設計方案動力學快速評估需求，把構成齒輪傳動系統的零部件進行模塊化處理，形成三種具有特定輸入輸出接口的模塊：軸模塊、齒輪副模塊、行星齒輪模塊。只需將齒輪傳動系統構型方案中傳動件連接關系信息、齒輪基本參數和軸結構基本參數作為輸入數據，即可快速組裝生成齒輪傳動系統的總體質量矩陣和總體剛度矩陣，從而建立齒輪傳動系統動力學分析模型，可大大地提高齒輪傳動系統動力學分析效率。此外，把結構復雜的軸離散為若干軸段生成多個軸單元，可提高動力學計算結果的準確度。

A modular modeling method for dynamic analysis of gear transmission system

The invention discloses a gear transmission system dynamics analysis module modeling method, rapid assessment according to the demand of gear transmission system configuration design of gear transmission system dynamics, to constitute parts of the modular, form three with specific input and output interface module: shaft module, gear module, planetary gear module. Only the configuration scheme of gear transmission system in transmission connection information, the basic parameters of gear shaft structure and basic parameters as input data, generate the rapid assembly of gear transmission system of the overall quality of matrix and total stiffness matrix, so as to establish the analysis model of dynamic mechanical gear transmission system, can greatly enhance the efficiency of the gear system dynamic analysis. In addition, it is possible to improve the accuracy of the dynamic calculation by separating the complex axis into several shaft sections and generating multiple axis elements.

【技術實現步驟摘要】
一種齒輪傳動系統動力學分析模塊化建模方法
本專利技術屬于動力學
，涉及一種齒輪傳動系統動力學分析模塊化建模方法。
技術介紹
齒輪傳動系統動力學是研究齒輪傳動系統在傳遞運動和動力過程中的動力學行為的科學，它以齒輪傳動系統為對象，以齒輪副嚙合過程的動力學特性為核心，以提高和改善齒輪傳動系統的動力學行為為目的，在考慮系統各零部件動態特性的基礎上，利用振動力學理論和方法，研究齒輪傳動系統在傳遞動力和運動中振動、沖擊、噪聲的基本規律，為設計制造小振動、低噪聲、高可靠性、高傳動性能的齒輪傳動系統提供理論依據。根據整機的功率和轉速要求，以及傳動系統動力輸入輸出位置和設計空間約束，首先需要對傳動系統進行構型方案設計。設計者在構型方案設計過程考慮的側重點不同會產生多種多樣的傳動系統構型設計方案。為了對各種傳動系統設計方案的動力學特性進行快速評估，需要開發一種自適應的動力學分析建模方法，可根據傳動系統的構型方案數據，能夠快速計算獲取系統的固有頻率、振型及動態響應等動力學特性數據。齒輪傳動系統動力學的研究對象經歷了由一對齒輪副組成的簡單系統向同時包含齒輪、傳動軸和軸承的復雜系統的發展。把整個齒輪傳動系統作為分析對象，可以全面研究齒輪傳動系統的動態性能，齒輪及系統其它零件對嚙合過程動態激勵的影響。目前對齒輪傳動系統動力學分析的建模方法基本是針對某特定的齒輪傳動系統，以牛頓第二定律為基本原理，采用集中質量法，將軸和齒輪分別抽象為一個集中質量點，軸的扭轉剛度表示為彈簧剛度，齒輪的嚙合剛度表示為齒輪副間的彈簧剛度，以齒輪傳動系統中的各零件為對象分別構建運動方程，然后聯立所有方程形成整個系統的動力學模型。這種方法存在不具有通用性的局限性，若齒輪傳動系統構型形式發生改變，則必須重新對系統各零件進行受力分析列方程以建立動力學模型，這使對多種齒輪傳動系統構型方案進行動力學特性評估的過程變得十分復雜，效率低下；此外，把結構復雜的軸抽象為一個集中質量點，在較大程度上會影響動力學計算結果的準確性。為此，提出一種自適應的齒輪傳動系統動力學分析模塊化建模方法，只需將齒輪傳動系統構型方案參數作為輸入數據，無需依次建立運動方程即可自動構建動力學分析模型，同時把軸離散為若干軸段，看作若干具有剛度的軸單元，可以提高動力學計算結果的準確度。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服上述技術存在的缺陷，提供一種齒輪傳動系統動力學分析模塊化建模方法。其具體技術方案為：一種齒輪傳動系統動力學分析模塊化建模方法，形成具有特定輸入輸出接口的模塊：軸模塊、齒輪副模塊、行星齒輪模塊，具體包括以下步驟：1)將軸劃分成若干段的小軸段，每個軸段兩端作為節點，軸段看作一個具有軸扭轉剛度的彈簧單元；2)齒輪在相應安裝的軸上生成一個節點，即齒輪節點；3)功率的輸入或輸出中心為相應軸上的一個節點，即功率節點；4)齒輪對簡化為兩根軸上相應兩節點連接的嚙合單元，該單元的剛度為嚙合剛度，在形成剛度矩陣時需要將嚙合剛度轉化為角剛度；5)行星齒輪作為一個獨立的模塊進行處理，太陽輪的齒輪節點與太陽輪安裝軸中心位置處的軸段節點進行耦合，即兩個節點合并成為一個節點，耦合后節點的轉動慣量為原兩節點的轉動慣量之和。進一步優選，所述軸模塊是由若干段軸串聯組合而成，每個軸段兩端作為節點，軸段看作一個具有軸扭轉剛度的彈簧單元，每一個軸段的轉動慣量與扭轉剛度計算公式采用空心圓柱體(實心軸則為內徑為0的空心圓柱體)的轉動慣量與扭轉剛度計算方法：1)空心圓柱體轉動慣量計算公式：式中，D為外徑，d為內徑，L為軸段的當量長度，ρ為材料密度；2)空心圓柱體扭轉剛度計算公式：式中，G為剪切模量，D為外徑，d為內徑，L為軸段的當量長度，E為彈性模量，μ為泊松比。進一步優選，所述齒輪副模塊的建模過程為：1)齒輪轉動慣量計算：把齒輪轉化為圓柱體進行計算，圓柱體外徑為齒輪分度圓直徑，內徑為齒輪輪轂內徑；2)嚙合單元扭轉剛度計算：通過GB/T3480-1997嚙合剛度公式計算獲取齒輪副嚙合剛度，將該嚙合剛度轉化為嚙合單元的扭轉剛度；3)由軸模塊敘述知，齒輪在相應安裝的軸上位置處生成一個齒輪節點；4)通過齒輪副將軸與軸之間進行關聯，在齒輪副的兩個節點之間生成一個嚙合單元；5)各齒輪的轉動慣量疊加在軸的相應節點上；6)齒輪副的嚙合剛度在形成剛度矩陣時轉換為嚙合單元的扭轉剛度，轉換公式為：式中K為齒輪副的嚙合剛度，rb1為主動輪節圓半徑，rb2為從動輪節圓半徑，β為齒輪螺旋角。進一步優選，所述行星齒輪模塊的建模過程為：1)行星齒輪模塊中太陽輪、行星輪、內齒圈和行星架的轉動慣量采用簡化的空心圓柱體轉動慣量計算方法；2)太陽輪與行星輪、行星輪與內齒圈的嚙合剛度計算采用GB/T3480-1997嚙合剛度公式進行，嚙合剛度轉換為扭轉剛度的方法與齒輪副的扭轉剛度轉換方法相同；3)行星齒輪模塊與軸的耦合方法為：把太陽輪簡化為所在軸上的一個節點，節點進行合并處理。與現有技術相比，本專利技術的有益效果為：根據齒輪傳動系統設計方案快速動力學評估需求，通過本專利技術提出的一種自適應的齒輪傳動系統動力學分析模塊化建模方法，將齒輪傳動系統中軸、齒輪副和行星齒輪進行模塊化處理，只需將齒輪傳動系統構型方案中齒輪基本參數、軸結構參數以及傳動件連接關系作為輸入數據，即可快速生成齒輪傳動系統的總體質量矩陣和總體剛度矩陣，從而建立齒輪傳動系統動力學分析模型。采用本專利技術的動力學分析模塊化建模方法，可大大地提高齒輪傳動系統動力學分析的建模效率和計算結果準確度。附圖說明圖1是
技術介紹
中齒輪傳動系統動力學分析流程圖；圖2是軸模塊簡化模型的節點生成示意圖；圖3是含齒輪副模塊的動力學模型示意圖；圖4是行星齒輪模塊的動力學模型示意圖。具體實施方式下面結合具體實施例對本專利技術的技術方案作進一步詳細地說明。本專利技術所建立的齒輪傳動系統動力學分析流程如圖1所示，具體步驟如下：1)傳動鏈構成初始化：指根據傳動鏈的信息數據可自動對齒輪傳動系統的傳動鏈初始化，即得到傳動系統的組成級數、齒輪類型、連接關系等；2)慣量和剛度計算：指齒輪的轉動慣量和嚙合剛度計算，以及軸的轉動慣量和扭轉剛度計算；3)動力學模型構建：指把傳動鏈中各模塊的單元和節點信息自動創建出來，然后通過模塊間的節點耦合或創建單元的方法形成系統總體剛度矩陣和總體質量矩陣，從而建立傳動系統的動力學模型；4)動力學分析：指根據建立的系統動力學模型，分別在系統約束和系統載荷的輸入數據下進行系統模態分析和系統動響應分析；5)循環迭代：判斷動力學分析結果是否滿足動力學特性要求，若滿足則輸出動力學分析的性能數據，若不滿足則返回修改齒輪或軸的參數，重新進行慣量與剛度計算，或者返回修改傳動鏈結構，重新進行傳動鏈構成的初始化。進行齒輪傳動系統動力學分析的輸入主要由三類數據構成，包括：1)傳動鏈信息：主要是齒輪、軸的數目與類型，以及傳動鏈各零部件的連接關系，齒輪類型包括齒輪副和行星齒輪兩種；2)零部件信息：主要是各零部件的進行轉動慣量和剛度所需的數據信息；齒輪：簡化計算齒輪轉動慣量和嚙合剛度所需的參數；軸：計算軸的轉動慣量和扭轉剛度所需的參數。3)工況信息：計算傳動系統動響應所需的工況信息，如輸入輸出的轉速、扭矩、功率、轉動慣量等。齒輪傳動系統的動力學模型采用集中質量本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種齒輪傳動系統動力學分析模塊化建模方法，其特征在于，形成具有特定輸入輸出接口的模塊：軸模塊、齒輪副模塊、行星齒輪模塊，具體包括以下步驟：1)將軸劃分成若干段的小軸段，每個軸段兩端作為節點，軸段看作一個具有軸扭轉剛度的彈簧單元，即一個軸單元；2)齒輪在相應安裝的軸上生成一個節點，即齒輪節點；3)功率輸入或輸出中心為相應軸上的一個節點，即功率節點；4)齒輪對簡化為兩根軸上相應兩節點連接的嚙合單元，該單元的剛度為嚙合剛度，在形成剛度矩陣時需要將嚙合剛度轉化為角剛度；5)行星齒輪作為一個獨立的模塊進行處理，太陽輪的齒輪節點與太陽輪安裝軸中心位置處的軸段節點進行耦合，即兩個節點合并成為一個節點，耦合后節點的轉動慣量為原兩節點的轉動慣量之和；其中，所述軸模塊是由若干段軸串聯組合而成，每一個軸段的轉動慣量與扭轉剛度計算公式采用空心圓柱體的轉動慣量與扭轉剛度計算方法：1)空心圓柱體轉動慣量計算公式：

【技術特征摘要】
1.一種齒輪傳動系統動力學分析模塊化建模方法，其特征在于，形成具有特定輸入輸出接口的模塊：軸模塊、齒輪副模塊、行星齒輪模塊，具體包括以下步驟：1)將軸劃分成若干段的小軸段，每個軸段兩端作為節點，軸段看作一個具有軸扭轉剛度的彈簧單元，即一個軸單元；2)齒輪在相應安裝的軸上生成一個節點，即齒輪節點；3)功率輸入或輸出中心為相應軸上的一個節點，即功率節點；4)齒輪對簡化為兩根軸上相應兩節點連接的嚙合單元，該單元的剛度為嚙合剛度，在形成剛度矩陣時需要將嚙合剛度轉化為角剛度；5)行星齒輪作為一個獨立的模塊進行處理，太陽輪的齒輪節點與太陽輪安裝軸中心位置處的軸段節點進行耦合，即兩個節點合并成為一個節點，耦合后節點的轉動慣量為原兩節點的轉動慣量之和；其中，所述軸模塊是由若干段軸串聯組合而成，每一個軸段的轉動慣量與扭轉剛度計算公式采用空心圓柱體的轉動慣量與扭轉剛度計算方法：1)空心圓柱體轉動慣量計算公式：式中，D為外徑，d為內徑，L為軸段的當量長度，ρ為材料密度；2)空心圓柱體扭轉剛度計算公式：式中，G為剪切模量，D為外徑，d為內徑，L為軸段的當量長度，E為彈性模量，μ為泊松比。2.根據權...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王海偉，劉更，吳立言，常樂浩，韓冰，楊小輝，劉嵐，佟瑞庭，馬尚君，
申請(專利權)人：西北工業大學，
類型：發明
國別省市：陜西,61