搜索推土機(jī)終傳動(dòng)齒輪的模態(tài)分析
2013-06-10 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)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(guān)鍵字: 齒輪 模態(tài)分析 有限元分析 ANSYS
推土機(jī)終傳動(dòng)齒輪在工作過程中受到周期性載荷力的作用,有可能在標(biāo)定轉(zhuǎn)速內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈的共振,動(dòng)應(yīng)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(dòng)特性。運(yùn)用有限元分析理論,借助計(jì)算機(jī)軟件ANSYS,建立了精確的齒輪參數(shù)化模型,對(duì)齒輪的模態(tài)特性進(jìn)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(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)的敲擊測(cè)試方法,測(cè)量各敲擊點(diǎn)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(dòng)分析、頻率分析、噪聲分析以及齒輪的響應(yīng)分析和老產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì),為解決工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問題提供了可靠的依據(jù),也提高了設(shè)計(jì)效率。
大功率履帶式推土機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、液力變矩器、變速器、中央傳動(dòng)、轉(zhuǎn)向離合器和制動(dòng)器、終傳動(dòng)以及行走系統(tǒng)。其中終傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要采用平行軸式和行星齒輪式,以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的減速增矩。某型推土機(jī)終傳動(dòng)采用平行軸式圓柱齒輪傳動(dòng)方式,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 終傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖
終傳動(dòng)齒輪在工作過程中受到周期性載荷力的作用,有可能在標(biāo)定轉(zhuǎn)速內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈的共振,動(dòng)應(yīng)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(xué)計(jì)算不能完全滿足設(shè)計(jì)要求,因此有必要對(duì)齒輪進(jìn)行模態(tài)分析,研究其振動(dòng)特眭,得到固有頻率和主振型(自由振動(dòng)特性)。固有頻率反映結(jié)構(gòu)的剛性指標(biāo),同時(shí)也是判斷結(jié)構(gòu)在動(dòng)力作用下是否會(huì)發(fā)生共振的依據(jù),而結(jié)構(gòu)的主振型與其動(dòng)力反應(yīng)的發(fā)生狀態(tài)有密切關(guān)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(dòng)時(shí)相互耦合的程度。同時(shí),模態(tài)分析也是其它動(dòng)力學(xué)分析如諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析和譜分析的基礎(chǔ)。
筆者運(yùn)用有限元方法對(duì)推土機(jī)終傳動(dòng)齒輪進(jìn)行模態(tài)分析,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,為齒輪動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供了有效的方法。
1有限元建模
齒輪的齒廓形狀較為復(fù)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(guān)的特點(diǎn)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(duì)齒輪進(jìn)行參數(shù)化建模,然后將模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中的方法。考慮到齒輪形狀復(fù)雜,采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù),單元類型選擇8節(jié)點(diǎn)四面體單元Solid45,共劃分節(jié)點(diǎn)11617個(gè),單元39086個(gè),劃分好的有限元模型如圖2所示。
圖2 齒輪的有限元網(wǎng)格劃分
由于計(jì)算齒輪處于自由狀態(tài)時(shí)的模態(tài)值,所以對(duì)齒輪不施加外載荷。選擇ANSYS中的模態(tài)分析模塊,運(yùn)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(dòng)力學(xué)方程4試驗(yàn)測(cè)試
齒輪箱體的振動(dòng)可假設(shè)為一個(gè)具有n,個(gè)自由度的線性系統(tǒng)運(yùn)動(dòng),其振動(dòng)微分方程為:
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(dòng)是低階模態(tài)起主導(dǎo)作用,而高階模態(tài)對(duì)齒輪的振動(dòng)影響較小,所以本文只對(duì)齒輪的前三階振型進(jìn)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(gè)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(dòng)的固有頻率、最大位移量見表1。
表1 前三階振動(dòng)的有限元計(jì)算結(jié)果
4 試驗(yàn)測(cè)試
為了將試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,模態(tài)試驗(yàn)齒輪采用相同的邊界條件。筆者采用了單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)的敲擊測(cè)試方法,測(cè)量各敲擊點(diǎn)的頻響函數(shù)。每組測(cè)點(diǎn)平均5次,測(cè)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(jī)和分析軟件。試驗(yàn)?zāi)M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(lì)下產(chǎn)生振動(dòng)。利用加速度傳感器測(cè)得響應(yīng),由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測(cè)并放大輸入輸出信號(hào),并將信號(hào)轉(zhuǎn)換成一定模式,最后振動(dòng)分析系統(tǒng)軟件通過對(duì)參數(shù)識(shí)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。
圖3 前三階振型圖
表2 有限元計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
5 分析與結(jié)論
(1)齒輪作為推土機(jī)傳動(dòng)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(jì)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(yuǎn)離正常工作頻率30—600Hz,齒輪的剛性比較好。齒輪振動(dòng)的相對(duì)位移量較小,振動(dòng)很小,具有較高的局部剛度,從而保證了推土機(jī)傳動(dòng)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(yàn)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(diǎn)四面體單元能較好地反映齒輪的動(dòng)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(dòng)分析、頻率分析、噪聲分析以及齒輪的響應(yīng)分析和老產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì),可提高設(shè)計(jì)效率。
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