15年汽车工程会集he017

２０１５ＣＧ基于多体动力学的不同刚度剪式齿轮的对比分析研究安木金滕启寨郭磊闫善恒【摘要】建立了某发动机多体动力学模型ꎬ应用高级齿轮副进行了关键齿轮副的定义并进行了模型的仿真计算ꎮ针对剪式齿轮对齿轮系的影响问题ꎬ分析了其不同扭转刚度时各齿轮副啮合的接触状态、齿面法向力和齿面接触压力等ꎬ并进行了不同刚度剪式齿轮的对比分析ꎮ结果表明ꎬ不同扭转刚度的剪式齿轮对与其啮合的驱动齿轮之间的啮合特性影响较大ꎮ仿真分析过程及结果对同类工程问题具有一定的参考价值ꎮ【关键词】多体动力学高级齿轮副剪式齿轮ＣｏｎｔｒａｓｔｉｖｅＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＳｃｉｓｓｏｒｓＧｅａｒｓｂｅｔｗｅｅｎＤｉｆｆｅｒｅｎｔＴｏｒｓｉｏｎＳｔｉｆｆｎｅｓｓｂａｓｅｄｏｎＭｕｌｔｉ￣ＤｙｎａｍｉｃＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｎＭｕｊｉｎꎬＴｅｎｇＱｉｚｈａｉꎬＧｕｏＬｅｉꎬＹａｎＳｈａｎｈｅｎｇꎬＬｉＨａｎｇｚｈｏｕＰｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＡｂｓｔｒａｃｔ:ＴｈｅｍｕｌｔｉｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｏｎｅｅｎｇｉｎｅｉｓｂｕｉｌｔꎬｔｈｅｐｉｖｏｔａｌｇｅａｒｐａｉｒｓａｒｅｄｅｆｉｎｅｄｂｙＡＣＹＧ(ＡｄｖａｎｃｅｄＣｙｌｉｎｄｒｉｃａｌＧｅａｒＪｏｉｎｔ)ａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｎＴｏａｄｄｒｅｓｓｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｓｃｉｓｓｏｒｓｇｅａｒｓｉｎｇｅａｒｐａｉｒꎬｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｓｔａｔｅꎬｔｈｅｎｏｒｍａｌｆｏｒｃｅａｎｄｃｏｎｔａｃｔｐｒｅｓｓｕｒｅｏｎｇｅａｒｓｕｒｆａｃｅｏｆｅａｃｈｇｅａｒｐａｉｒｉｓａｎａｌｙｚｅｄꎬｔｈｅｃｏｎｔｒａｓｔｉｖｅｒｅｓｅａｒｃｈｂｅｔｗｅｅｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｉｆｆｎｅｓｓｉｓｐｒｏｃｅｓｓｅｄＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｇｒｅａｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｅｘｉｓｔｓｉｎｔｈｅｍｅｓｈｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｃｉｓｓｏｒｓｇｅａｒｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄｄｒｉｖｉｎｇｇｅａｒＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｒｅｓｕｌｔａｒｅｖａｌｕａｂｌｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｓａｍｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓＫｅｙｗｏｒｄｓ:ｍｕｌｔｉｄｙｎａｍｉｃｓꎬＡＣＹＧꎬｓｃｉｓｓｏｒｓｇｅａｒｓꎬｔｏｒｓｉｏｎ置上模板模型显示时只有名称不同置上模板模型显示时只有名称不同其中~为曲轴后齿轮与剪式齿轮啮合的连接副ꎬ为重点对比分析的连接副ꎬ１１个切片Ｓｌｉｃｅꎬ齿轮系统是各类机器设备的主要传动系统ꎬ齿轮工作过程中的可靠性直接影响机械设备的性能因此ꎬ长期以来人们对齿轮进行了大量的理论分析和试验研究ꎬ并取得了许多但上述研究主要针对普通齿轮副啮合的齿轮系统ꎬ实际工程中存在剪式齿轮的齿轮系中ꎬ通过了解不同扭转刚度的剪式齿轮对系统的影响可以对齿轮系统进行更准确的分析从而有的放矢地进行产品配置本文通过仿真软件建立某发动机多体动力学分析模型ꎬ利用软件中的高级齿轮副(ＣＹＧꎬｄｖａｎｃｅｄｙｌｉｎｄｉｃａｌＧｅａｒＪｏｉｎｔ)进行关键齿轮副的定义ꎬ对不同扭转刚度的剪式齿轮对齿轮系的影响进行探讨１利用仿真软件建立分析模型如图所示ꎬ计算工况为怠速ꎬ且发动机后取力端为最大载荷单个转图１中６个高级齿轮副分别为ＡｄｖＣｙｌＧｅａｒＭｅｓｈ１~高级齿轮副与普通齿轮副的不同体现在软件对其的内部设图 某发动机ＡＶＬＥＸＣＩＴＥ＿ＰＵ仿真计算模２齿轮啮合的一般评价值包括齿轮驱动啮合力齿轮冲击轴承力和扭振等本文使用高级齿轮副进行建模仿真ꎬ着重对比不同刚度剪式齿轮的影响ꎬ因此重点分析接触状态齿面法向力和接触压力等内容齿轮副局部坐标系示意图如图２所示定义ｐｉｎｉｏｎ驱动轮的中心指向ｇｅａｒ被驱动轮的中心为方向ꎬ垂直于齿面方向为Ｚꎬ右手法则确定Ｙ＋模型中剪式齿轮的两个齿轮分别命名为ＳＣＩＳＳＯＲ１~２２０１５ＣＧ 分析中所用齿轮的左右侧指面向啮合齿轮副时向观察者ꎬ齿轮上各齿的左右侧面图

在循环的两端存在冲击载荷在施加冲击载荷之前ꎬ剪式齿轮的两个齿轮之间存在角度偏差ꎬ曲轴后齿轮分别与ＳＣＩＳＳＯＲ１~２的右侧和左侧齿面接触冲击载荷作用后ꎬ两个齿轮发生相对转动ꎬ当载荷达到一定程度后ꎬ偏差角度消失和图分别为曲轴后齿轮与不同刚度剪式齿轮的接两条曲线分别为曲轴后齿轮与剪式齿轮ＳＣＩＳＳＯＲ１~的接触状态曲线曲线为时指两齿轮右侧齿面接触为时指左侧齿面接触ꎬ为０时不接触由图和图可知在循环末端两剪式齿轮的左侧都与曲轴后齿轮啮合只是同时进入啮合时对应的曲轴转角不同７１３°ꎬ大刚度剪刀齿轮比小刚度剪刀齿轮滞后１４°图 图 另外ꎬꎬ扭转刚度大的剪式齿轮与曲轴后齿轮啮合较好ꎬ而刚度小的剪式齿轮在啮合过程中存在较多不接触区ꎬ说明啮合齿轮之间

图和图分别为曲轴后齿轮与不同刚度剪式齿轮两侧图 图 ２０１５ＣＧ其中两条曲线分别为曲轴后齿轮与剪式齿轮~由图５和图左侧图可知ꎬ循环过程中曲轴后齿轮与ＳＣＩＳＳＯＲ２右侧齿面作用力都为０ꎻ而与ＳＣＩＳＳＯＲ１右侧齿面作用力较多存在ꎬ二者多处于接触状态由图右侧图可知循环过程中曲轴后齿轮与ＳＣＩＳＳＯＲ２左侧齿面作用力较多存在ꎬ说明二者较多处于接触状态由于冲击载荷的作用在循环过程末端与ＳＣＩＳ

ＳＯＲ１~２左侧齿面作用力均由０突然变大ꎬ此时曲轴后齿轮左对比图５和图６可知ꎬ曲轴后齿轮与小刚度剪式齿轮(ＳＣＩＳＳＯＲ１右侧和ＳＣＩＳＳＯＲ２左侧)啮合过程中存在较多受力为０的地方ꎬ啮合过程中有较多不接触时刻ꎬ啮合齿轮之间相互撞击的现象多ꎬ而与大刚度剪式齿轮能较好地啮合７图 从发动机后端视图面对两啮合齿轮曲轴后齿轮为驱动轮逆时针旋转第一对啮合齿轮~第三对啮合齿轮如右侧Ｓｌｉｃｅ大小由于为动画截图ꎬ显示大小并不代表各对啮合齿切片的实际值以曲轴后齿轮与剪刀齿轮ＳＣＩＳＳＯＲ２啮合为例ꎬ

接触压力曲线图和柱状图分别如图~图所示左图右其中图８和图１０中不同颜色的曲线代表各切片的接触压力９和图１１所示图８曲轴后齿轮与小刚度剪刀齿轮ＳＣＩＳＳＯＲ２图９曲轴后齿轮与小刚度剪刀齿轮ＳＣＩＳＳＯＲ２图 曲轴后齿轮与大刚度剪刀齿轮ＳＣＩＳＳＯＲ２各切片接触压力曲线２０１５ＣＧ 图 曲轴后齿轮与大刚度剪刀齿轮ＳＣＩＳＳＯＲ２各切片最大接触压力柱状由图８和图１０可知ꎬ冲击载荷施加后ꎬ小刚度剪式齿轮的ＳＣＩＳＳＯＲ２受到冲击作用产生反向旋转ꎬ使得其右侧齿面与曲轴后齿轮接触ꎬ产生接触压力ꎬ说明剪式齿轮扭转刚度不足此外ꎬ小刚度剪式齿轮的ＳＣＩＳＳＯＲ２左侧齿面在循环中存在较多接触压力持续为的地方说明循环内两啮合齿轮存在多次冲击的现象ꎻ而大刚度剪式齿轮的ＳＣＩＳＳＯＲ２左侧齿面只有一处接触压力为的时间段循环内两啮合齿轮只存在由图和图可知ꎬ各齿面中间区域接触压力较大这是由于齿面修形中鼓形量的存在接触压力分析结果与前对比图~可知大刚度剪式齿轮与曲轴后齿轮

３通过上述分析ꎬ可以得到下列结论利用仿真分析软件对比不同扭转刚度的剪式齿轮对齿轮系影响的方法是可行的使用软件中的高级齿轮副进行关键齿轮副的定义ꎬ使得结果对比更加全面直观通过接触状态齿面法向力和接触压力等内容对齿轮副啮合特性进行综合评价ꎬ可以使分析结果前后呼应ꎬ更加准(３)不同扭转刚度的剪式齿轮对啮合齿轮副的影响较大ꎬ对于存在冲击载荷的齿轮系中ꎬ大刚度剪式齿轮的使用更有参考文献[１]ＤｕａｎＦａｎｇｌｉ.Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｏｐｔｉｍｉｚｅｄｆｌａｎｋｐｒｏｆｉｌｅｒｕｎｎｉｎｇｉｎｃｕｒｖｅｏｎｔｈｅｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ[Ｊ].ＭａｃｈｉｎｅＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎꎬ１９９７ꎬ(２):１３~１５.[２]雷新望ꎬ李凌均ꎬ沈紫乐.断齿故障齿轮的冲击激励研究煤矿机械ꎬ２０１２ꎬ３３~[３]ＸｉａＹａｎｑｉｕꎬＬｉｕＷｅｉｍｉｎꎬＹｕＬａｉｇｕｉ.Ｓｔｕｄｙｏｎｃｏｒｒｏｓｉｖｅｇｒｉｎｄｉｎｇｏｆｇｅａｒｓ[Ｊ].ＳｃｉｅｎｃｅｉｎＣｈｉｎａ(ＳｅｒｉｅｓＡ)ꎬ２００１ꎬ４４:２６３~２６６.

[４]李建惠ꎬ刘英华ꎬ刘云霞.水冷柴油机齿轮轮齿断裂分析研究柴油机ꎬ２０１３ꎬ３５(１):３７~[５]Ｃｈｅｎ