CN111859569A - 一种基于齿面拓扑结构的非圆齿轮动态接触特性分析方法 - Google Patents

一种基于齿面拓扑结构的非圆齿轮动态接触特性分析方法 Download PDF

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刘永平
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魏永峭
李大伟
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Abstract

本发明公开了一种属于齿轮啮合领域的基于齿面拓扑结构的非圆齿轮动态接触特性分析方法。本发明首先利用KISSsoft软件，生成了精确的非圆齿轮二维模型，在Creo三维软件中生成非圆齿轮的三维模型，并建立了齿面拓扑结构和相应的坐标标识；导入Hypermesh软件中进行齿轮网格划分，使齿面网格节点和拓扑结构相匹配；最后在LS‑DYAN软件中定义边界条件、模拟齿轮承载情况下旋转一周，最后进行模型的求解。获取了轮齿在啮合过程中齿面应力、应变、压力、位移以及速度的变化趋势。本发明降低并避免了非圆齿轮动态接触特性分析过程中复杂程序的编写和求解，节省了工作量和资源，为非圆齿轮动态接触分析提供了依据。

Description

一种基于齿面拓扑结构的非圆齿轮动态接触特性分析方法
技术领域
本发明属于齿轮啮合分析技术领域，具体涉及一种基于齿面拓扑结构的非圆齿轮动态接触特性分析方法。
背景技术
非圆齿轮属于一种特殊的圆柱齿轮，以其具有非圆形节曲线而区别于圆柱齿轮；非圆齿轮主要包括非圆柱齿轮、非圆斜齿轮、非圆面齿轮、非圆锥齿轮等。非圆齿轮结构紧凑，可以实现变比传动，主要应用于低速、大扭矩场合，如：液压泵、液压马达、流量仪等。非圆齿轮节曲线曲率半径和齿廓曲率半径的时变性导致位于节曲线上不同位置轮齿的齿廓不一致，且每一个轮齿的左右齿廓也不相同。在实际应用过程中，齿廓不一致导致各个齿面上的接触应力也存在着较大的差异，因此，动态分析非圆齿轮的啮合过程，对于进一步改善齿轮的动态设计和应用场合等具有重大意义。
LS-DYNA是目前应用最为广泛的齿轮动态啮合模拟软件，可以实现齿轮的承载接触，比较符合实际工况。利用LS-DYNA进行齿轮啮合仿真的研究有很多，但大都针对的是常用的圆柱齿轮副和斜齿轮副，对于非圆齿轮的研究很少，《基于ANSYS/LS-DYNA的齿轮线外啮合冲击研究》一文中，利用LS-DYNA软件对直齿轮副的啮合冲击问题进行了研究；《基于LS-DYNA直齿轮动态啮合特性分析》一文中，利用LS-DYAN软件模拟了齿轮副的动态啮合过程；《不同载荷条件下椭圆柱齿轮动态接触特性分析》一文中，利用Ls-Prepost软件模拟了椭圆柱齿轮的动态啮合过程，这为非圆齿轮的啮合模拟奠定了基础。
发明内容
本发明提供了一种基于齿面拓扑结构的非圆齿轮动态接触特性分析方法。本发明降低并避免了非圆齿轮动态接触特性分析过程中复杂程序的编写和求解，节省了工作量和资源，为非圆齿轮动态接触提供了依据。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于齿面拓扑结构的非圆齿轮动态接触特性分析方法，包括如下步骤：
步骤1：确定非圆齿轮的参数，根据参数用KISSsoft软件生成非圆齿轮副二维模型；
步骤2：将步骤1中二维模型导入Creo软件中，生成非圆齿轮副三维模型，并进行齿面拓扑结构的设定；
步骤3：将步骤2中三维模型导入Hypermesh软件中，进行齿轮网格划分，建立有限元啮合模型，使齿面网格和步骤2中的齿面拓扑结构相对应；
步骤4：将步骤3中生成的模型导入LS-DYNA中，设置三维模型初始条件和边界条件，并用LS-DYNA中的求解器LS-PREPOST MANAGER进行求解并生成求解文件；
步骤5：用LS-DYNA打开步骤4中的求解文件，选取位于非圆齿轮节曲线上不同位置的轮齿作为数据采集点的对象，获取齿轮动态啮合过程中齿面接触区域内拓扑坐标点的应力、应变、压力、转速和位移；
步骤6：对步骤5获得的应力、应变、压力、转速和位移分析得到轮齿啮合过程中应力、应变、压力、速度和位移随齿轮位于节曲线上位置的变化趋势。
拓扑结构建立：以齿廓和齿线的交点作为齿面拓扑坐标原点，分别以齿线方向和齿廓方向作为拓扑坐标系的X轴和Y轴，通过Cero软件中分析模块中的齿廓法向量和曲率标识功能建立齿廓拓扑结构。
所述拓扑结构的设定为矩形单元，所述拓扑结构的坐标标识为矩形单元。
步骤3中非圆齿轮轴孔用Hypermesh软件中的2D单元里面的automesh进行面网格划分，齿轮整体用Hypermesh软件中3D单元里面的solid map进行体网格划分。
网格划分完成以后用Hypermesh软件中Tool单元里面的face和edge命令检查模型。
所述步骤2中还包括，Creo生成的模型通过Creo中Simulation模块进行运动验证。
步骤1中的参数包括模数、齿数、压力角、齿宽、中心距和节曲线方程。
采用上述技术方案，本发明具有如下优点：
1、本发明降低并避免了非圆齿轮动态接触特性分析过程中复杂程序的编写和求解，节省了工作量和资源，为非圆齿轮动态接触提供了依据。
2、本发明通过KISSsoft软件生成非圆齿轮副，输入模数、齿数、压力角、齿宽和节曲线方程，便可得到精确的非圆齿轮二维齿廓模型。在这一过程中，齿顶和齿根圆角过渡曲线已动态生成，且在模拟啮合过程中，可以动态显示转过的角度和传动比的变化，这相比于普通非圆齿轮设计方法，避免了编写复杂程序，且还具有更高的精度。
3、本发明齿面拓扑结构的建立可以保证准确的定位齿廓任一点的坐标数据。以齿廓和齿线的交点作为齿面拓扑坐标原点，分别以齿线方向和齿廓方向作为拓扑坐标系的X轴和Y轴，通过Cero软件中分析模块中的齿廓法向量和曲率标识功能建立齿廓拓扑结构，保证所建立的拓扑坐标可以准确定位到齿面上的点；在Hypermesh软件中划分的六面体网格单元可以和齿面拓扑结构动态匹配，保证数据提取点一定是拓扑结构下的网格点。
4、本发明利用LS-DYAN建立的非圆齿轮动态啮合模型，可以模拟齿轮在承载情况下的啮合，且在旋转一周过程中，可以保证每一个轮齿都参与啮合，这可以更加直观的获取齿轮啮合过程中，各单元所对应的应力、应变、压力、位移和速度变化规律。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的流程图；
图2是本发明在KISSsoft软件中生成的非圆齿轮二维图形；
图3是本发明在Creo中生成的非圆齿轮三维模型；
图4是本发明在Creo中设计的非圆齿轮齿廓拓扑结构和坐标标识；
图5是本发明在Hypermesh软件中建立的非圆齿轮有限元模型；
图6是本发明中啮合时间为0.002s时齿轮的接触应力分布云图；
图7是本发明中啮合时间为0.0049s时非圆齿轮齿面椭圆接触区域的分布状况；
图8是本发明中啮合时间为0.028s时非圆齿轮齿面椭圆接触区域的分布状况；
图9是本发明中啮合时间为0.046s时非圆齿轮齿面椭圆接触区域的分布状况；
图10是本发明中拓扑坐标点为1(5,5)、1(15,5)和1(25,5)的齿面接触应力分布规律；
图11是本发明中拓扑坐标点为24(5,5)、24(15,5)和24(25,5)的齿面接触应力分布规律；
图12是本发明中拓扑坐标点为1(5,4)、1(15,4)和1(25,4)的X、Y、Z三个方向所承受应力的比变化趋势；
图13是本发明中拓扑坐标点为1(5,4)、1(15,4)和1(25,4)的X、Y、Z三个方向位移的变化趋势；
图14是本发明中拓扑坐标点为1(5,4)、1(15,4)和1(25,4)的X、Y、Z三个方向速度的变化趋势；
图15是本发明中齿轮啮合过程中齿面接触力的变化趋势；
图16是本发明中齿轮啮合过程中所承受扭矩的变化趋势；
附图中：1、1号齿，24、24号齿。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本实施例提供了一种基于齿面拓扑结构的非圆齿轮动态接触特性分析方法，包括如下步骤：
步骤1：KISSsoft中设计非圆齿轮副，输入参数：模数m＝3、齿数z1＝z2＝47、压力角α＝20°、齿宽b＝30、节曲线方程r＝64.667/1-0.3287cos(θ)，设置完参数后，生成如图2所示的非圆齿轮副二维模型；将非圆齿轮副二维模型保存为iges格式。
步骤2：将步骤1生成的iges格式的文件导入Creo中，新建零件，并对导入的非圆齿轮副二维模型的图形进行拉伸操作，拉伸高度为30mm，轴孔直径为30mm，生成如图3所示的非圆齿轮副三维模型；然后利用Simulation模块进行运动验证，确保运动准确性；利用Creo中的分析模块的中齿廓向量和曲率标识功能建立齿廓拓扑结构，在建立过程中可以选择相应的横、纵方向网格数量，以非圆齿轮齿廓方向和齿线方向的交点为坐标原点，以齿线方向为x轴，以齿廓方向为y轴，建立齿廓拓扑结构坐标系，以此来定位齿轮齿廓上每一个单元，齿面拓扑结构坐标标识如图4所示；最后保存为iges格式。
步骤3：将步骤2生成的iges格式的文件导入hypermesh软件中，进行网格划分；对非圆齿轮齿廓进行网格划分时，需要自动调整单元节点数，自动生成的网格节点无法和步骤2所设计的齿面拓扑数据点一一对应，为保证能完全准确定位到齿廓上每一个拓扑单元，齿廓网格划分时要严格按照前期设计的齿面拓扑结构来调整网格数量。划分网络时采用六面体单元，齿轮齿面拓扑结构的设定及其坐标标识都是矩形单元，这与六面体网格相互对应，可以保证划分的网格和齿面拓扑结构一一对应；
非圆齿轮轴孔用Hypermesh软件中的2D单元里面的automesh进行面网格划分，齿轮整体用Hypermesh软件中3D单元里面的solidmap进行体网格划分，划分的网格和齿面拓扑结构想对应；网格划分完成以后用Hypermesh软件中Tool单元里面的face和edge命令检查模型，确保模型没有T形边和多余节点；最后保存为k文件。
步骤4：将步骤3生成的k文件导入LS-DYNA软件中，如图5所示；在LS-DYNA软件中设置模型初始条件和边界条件：
在DEFINE-CURVES模块里面分别定义主动轮的转速曲线和从动轮负载曲线，转速定义为600r/min；
在MAT模块里面定义材料属性，齿轮轴孔定义为MAT-PIECEWISE-LINEAR-PLASTICITY，其它部分定义为MAT-RIGID。泊松比PR为0.3、密度RO为7.85x10-9t/mm3、弹性模量E1＝E2＝2.1x105N/mm2、屈服极限SIGY为355Mpa；
在SECTION模块里定义Shell单元和Solid单元，ELFORM均设置为1，Shear factor为0.8333；
在Part单元里面分别给轴孔和齿轮体赋予材料，主、从动轮轴孔设置为Solid，齿轮体部分设置为Shell。定义刚柔耦合，确保刚性内圈带动柔性体齿轮转动；
在DATABASE模块里面定ASCII_OPTIONBINARY_D3PLOT、BINARY_D3THDH和EXTENT_BINARY；
在CONTACT模块里面定义主、从动轮接触，静摩擦系数FS为0.2，动摩擦系数FD为0.1；
在BOUNDARY模块里面定义主动轮内圈施加转速，并限制主从动轮的X、Y、Z方向的移动自由度和X、Y方向的转动自由度；
在CONTROL模块里面定义BULK_VISCOSITY、CONTACT、CPU、ENGERY、HOURGLASS、OUTPUT、SHELL、SOLID、TERMINATION、TIMESTEP；终止时间设置为0.1s，保证转速为600r/min的情况下，主、从动轮转过一转；
定义好以后，利用LS-DYNA的求解器LS-PREPOST MANAGER进行求解；后生成d3plot格式的求解文件。
步骤5：用LS-DYNA打开步骤4中的求解文件，选取位于非圆齿轮节曲线上不同位置的轮齿作为数据采集点的对象，获取齿轮动态啮合过程中齿面接触区域内拓扑坐标点的应力、应变、压力、转速和位移；
如图6，为啮合时间为0.002s时齿轮的接触应力分布云图；如图7、图8和图9为0.0049、0.028、0.046时非圆齿轮齿面椭圆接触区域的分布状况,图中椭圆接触区域均沿着齿轮中截面对称分布；
选取1号齿和24号齿获取拓扑坐标点的应力、应变、压力、转速和位移；
步骤6：对步骤5获得的应力、应变、压力、转速和位移分析得到轮齿啮合过程中应力、应变、压力、速度和位移随齿轮位于节曲线上位置的变化趋势；
图10所示的拓扑坐标点为1(5,5)、1(15,5)和1(25,5)的齿面接触应力分布规律。如图11所示为拓扑坐标点为24(5,5)、24(15,5)和24(25,5)的齿面接触应力分布规律；24号齿相对于1号齿啮合时间较晚，故其啮入冲击发生在0.047s左右。
图12所示的拓扑坐标点为1(5,4)、1(15,4)和1(25,4)的X、Y、Z三个方向所承受应力的比变化趋势；图13所示的拓扑坐标点为1(5,4)、1(15,4)和1(25,4)的X、Y、Z三个方向位移的变化趋势；图14为拓扑坐标点为1(5,4)1(15,4)和1(25,4)的X、Y、Z三个方向速度的变化趋势；
图15所示的齿轮啮合过程中齿面接触力的变化趋势；图16所示齿轮啮合过程中所承受扭矩的变化趋势。
需要说明的是，上述所用到的软件，均为现有技术。
齿面拓扑结构的非圆齿轮动态接触特性分析得出的应力、应变、压力、速度和位移随齿轮位于节曲线上位置的变化趋势能够用于指导齿轮齿廓修形；且通过齿面接触区域沿着中截面的对称分布趋势可验证所建立的非圆齿轮的三维模型是否合理。
对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (7)

1.一种基于齿面拓扑结构的非圆齿轮动态接触特性分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：确定非圆齿轮的参数，根据参数用KISSsoft软件生成非圆齿轮副二维模型；
步骤2：将步骤1中二维模型导入Creo软件中，生成非圆齿轮副三维模型，并进行齿面拓扑结构的设定；
步骤3：将步骤2中三维模型导入Hypermesh软件中，进行齿轮网格划分，建立有限元啮合模型，使齿面网格和步骤2中的齿面拓扑结构相对应；
步骤4：将步骤3中生成的模型导入LS-DYNA中，设置三维模型初始条件和边界条件；并用LS-DYNA中的求解器LS-PREPOST MANAGER进行求解并生成求解文件；
步骤5：用LS-DYNA打开步骤4中的求解文件，选取位于非圆齿轮节曲线上不同位置的轮齿作为数据采集点的对象，获取齿轮动态啮合过程中齿面接触区域内拓扑坐标点的应力、应变、压力、转速和位移；
步骤6：对步骤5获得的应力、应变、压力、转速和位移分析得到轮齿啮合过程中应力、应变、压力、速度和位移随齿轮位于节曲线上位置的变化趋势。
2.如权利要求1所述的一种基于齿面拓扑结构的非圆齿轮动态接触特性分析方法，其特征在于：拓扑结构建立：以齿廓和齿线的交点作为齿面拓扑坐标原点，分别以齿线方向和齿廓方向作为拓扑坐标系的X轴和Y轴，通过Cero软件中分析模块中的齿廓法向量和曲率标识功能建立齿廓拓扑结构。
3.如权利要求1所述的一种基于齿面拓扑结构的非圆齿轮动态接触特性分析方法，其特征在于：所述拓扑结构的设定为矩形单元，所述拓扑结构的坐标标识为矩形单元。
4.如权利要求1所述的一种基于齿面拓扑结构的非圆齿轮动态接触特性分析方法，其特征在于：步骤3中非圆齿轮轴孔用Hypermesh软件中的2D单元里面的automesh进行面网格划分，齿轮整体用Hypermesh软件中3D单元里面的solid map进行体网格划分。
5.如权利要求3所述的一种基于齿面拓扑结构的非圆齿轮动态接触特性分析方法，其特征在于：网格划分完成以后用Hypermesh软件中Tool单元里面的face和edge命令检查模型。
6.如权利要求1所述的一种基于齿面拓扑结构的非圆齿轮动态接触特性分析方法，其特征在于：所述步骤2中还包括，Creo生成的模型通过Creo中的Simulation模块进行运动验证。
7.如权利要求1所述的一种基于齿面拓扑结构的非圆齿轮动态接触特性分析方法，其特征在于：步骤1中的参数包括模数、齿数、压力角、齿宽、中心距和节曲线方程。
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