日本无码免费高清在线|成人日本在线观看高清|A级片免费视频操逼欧美|全裸美女搞黄色大片网站|免费成人a片视频|久久无码福利成人激情久久|国产视频一二国产在线v|av女主播在线观看|五月激情影音先锋|亚洲一区天堂av

  • 手機站
  • 小程序

    汽車測試網

  • 公眾號

    • 汽車測試網

    • 在線課堂

    • 電車測試

齒輪傳動系統(tǒng)動力學性能仿真和應用

2019-04-19 13:38:11·  來源：Simcenter 3D Online  作者：西門劍客之SC3Der  
　
1.概述近年來，齒輪傳動系統(tǒng)的NVH、疲勞耐久性能分析面臨巨大的挑戰(zhàn)。這個挑戰(zhàn)的關鍵之一是如何高效、精確的模擬齒輪嚙合的非線性動力學系統(tǒng)。想要精確地建立變
1.概述
 
近年來，齒輪傳動系統(tǒng)的NVH、疲勞耐久性能分析面臨巨大的挑戰(zhàn)。這個挑戰(zhàn)的關鍵之一是如何高效、精確的模擬齒輪嚙合的非線性動力學系統(tǒng)。
 
想要精確地建立變速箱多體動力學參數(shù)化模型往往是一個比較繁瑣的過程。通常需要幾天甚至更長時間來準備模型，然后模擬齒輪系統(tǒng)非線性動力學，以獲得變速箱系統(tǒng)實際工作過程的載荷，并使用預測的載荷進行系統(tǒng)的NVH、耐久性性能分析，從而進一步優(yōu)化這些屬性。如圖1所示，本文介紹了變速箱多體動力學建模工具Transmission Builder，它改變了CAE工程師建立變速器多體動力學仿真模型的傳統(tǒng)方式，同時顯著提高了建模效率。
 
西門子工業(yè)軟件的開發(fā)團隊在齒輪傳動系統(tǒng)數(shù)值方法方面投入了大量的精力，設計了一種新的求解模塊，使用戶能夠根據(jù)齒輪接觸的三個不同精細化級別（標準、解析和高級）進行動態(tài)多體動力學仿真。
圖1  基于Simcenter 3D Transmission Builder的變速箱多體動力學建模流程  
 
2. 背景：變速箱多體動力學仿真
齒輪傳動系統(tǒng)的基本部件是齒輪，軸承、軸及殼體。研究表明，變速箱傳遞誤差大約70%的能量損失發(fā)生在齒輪系，30%在軸承上。因此，變速箱分析的主要的挑戰(zhàn)在于如何以高效的方式模擬齒輪嚙合以及整個系統(tǒng)的動力學特性。通常，我們可以以三種方式進行變速箱的機械系統(tǒng)動力學仿真。第一種，齒輪傳動系統(tǒng)行業(yè)軟件，其主要是針對變速箱的設計，這類軟件集成了大量齒輪行業(yè)標準和經驗公式，可用于設計過程的校核，但具有一定的局限性，比如說不能用于齒輪系統(tǒng)瞬態(tài)分析、不能考慮系統(tǒng)級特性、不能與1D仿真軟件聯(lián)合仿真等等；第二種方式是采用非線性有限元工具。這種方式一方面計算成本太高，另外對于齒輪的某一些特性難以模擬，比如說輪齒微觀修型、齒輪嚙合表面油膜等；第三種方式是采用通用多體動力學仿真工具（比如說Simcenter 3D Motion），所建立的多體模型除了常規(guī)的多體動力學建模元素以外，必須包含精確的齒輪嚙合力算法，以準確捕捉到齒輪非線性動力學產生的載荷，從而進一步分析齒輪傳動系統(tǒng)的NVH以及結構耐久性能。
 
3. 變速箱多體動力學仿真工具—TransmissionBuilder

圖2 Simcenter 3D Transmission Builder軟件界面
 
如圖2所示，在Transmission Builder當中，用戶可以從齒輪傳動系統(tǒng)的布局設置開始，參數(shù)化地定義齒輪傳動系統(tǒng)的部件，比如軸、齒輪、軸承等，并定義部件之間的連接關系，以及齒輪詳細嚙合參數(shù)。
 
通過一鍵式按鈕，驅動Simcenter 3D motion建立齒輪傳動系統(tǒng)的CAD模型，并在此基礎上自動創(chuàng)建齒輪傳動系統(tǒng)所需的運動副、連接單元、力單元。如圖3所示，對于齒輪傳動系統(tǒng)中非常關鍵的輪齒微觀幾何修型，Transmission Builder提供詳細的符合ISO標準的參數(shù)設置。
圖3 Simcenter 3D Transmission Builder微觀修型參數(shù)設置
 
以下是利用Simcenter 3D Transmission Builder的參數(shù)化齒輪傳動系統(tǒng)的建模過程。
 
在Transmission Builder當中，由齒輪接觸管理器實現(xiàn)齒輪接觸模型的管理。其中可以定義齒輪接觸的檢測，采用對輪齒進行分片的技術檢測齒輪輪齒之間的接觸，計算所需的變形量，并將其轉化為分布的齒輪嚙合力，從而計算系統(tǒng)級載荷，進而計算齒輪的耐久性和NVH性能。圖4顯示了齒輪嚙合檢測的類型以及所對應的NVH、耐久等系統(tǒng)級特性。
圖4 齒輪嚙合檢測的類型以及所對應的NVH、耐久等系統(tǒng)級特性
對于最為關鍵的齒輪嚙合力計算，Transmission Builder啟用了三類方法來將檢測得到的齒輪變形量轉換為嚙合力。
1,Standard (based on ISO standards with optional user input)
2,Analytical (ISO + Cai)
3,Advanced (empirical or FE preprocessor)
3.1 Standard (based on ISO standards with optional user input)
標準方法的目的在于模擬齒輪傳動系統(tǒng)的整體特性。它通過ISO公式計算了結構的剛度，以近似的模擬所分析的齒輪副的真實嚙合剛度，這對于復雜傳動系的響應分析和首次設計迭代具有很高的價值，特別是當齒輪體的柔度不相關時。這種方法不考慮輪齒微觀修型，因為沒有詳細定義每一個輪齒的接觸，只考慮整體的剛度、阻尼特性。
當齒輪嚙合剛度或者測得的TE已知時，可以通過接口導入數(shù)據(jù)進行疊加，從而使得standard方法變得更加精確。該方法的主要優(yōu)點是易于使用和計算速度快。
3.2 Analytical (ISO + Cai)
該方法可用于多種情況，包括對輪齒本身參數(shù)化研究、不對中、微觀修型、對大型齒輪的NVH研究(公式中包含的齒輪變嚙合剛度，可以捕捉到引起齒輪嘯叫的激勵)和系統(tǒng)級現(xiàn)象的動態(tài)驗證。當不考慮輪輻異形結構時(例如，輕量化齒輪)，對于體積較大的齒輪，該方法可以保證足夠的精度。
在這種方法中，所使用的齒輪嚙合剛度算法結合了ISO標準和Cai理論[1~3]。該方法接觸檢測的精度大大提高，特別是，使用切片和一種新的接觸檢測技術可以精確考慮齒輪動態(tài)不對中現(xiàn)象。切片方法允許用戶在輪齒上選擇多個切片。在考慮微觀修型、動態(tài)不對中以及潛在的輪齒楔入的情況下，對齒輪接觸副內的每個分片的接觸檢測都非常有效。
 
3.3 Advanced (empirical or FE preprocessor)
為了進一步提高齒輪嚙合剛度計算的精度，在Transmission Builder中采用了兩種新的方法：Advanced empirical 和Advanced FE preprocessor。
 
3.3.1 Advanced empirical
這種方法中，齒輪接觸單元中采用了一種著名的經驗方法[4~5]。算法以直齒輪和斜齒輪的粗坯有限元模型為基礎，建立了一系列剛度曲線，用以更好地反映齒輪的結構剛度。利用非線性解析公式[5]考慮了齒輪嚙合的局部接觸。在齒輪系統(tǒng)級仿真中，齒輪結構剛度和接觸區(qū)域非線性剛度之間的耦合對載荷的影響是非常重要的。
 
3.3.2 Advanced FE preprocessor
在某些工況中，輕量化齒輪、齒圈的柔性以及齒輪結構變形是非常重要的(例如，由于齒輪輪輻上的孔而導致動態(tài)傳動誤差(DTE)中的邊頻)，那就需要更加精細化的算法（Advanced FE preprocessor）來模擬。Advanced FE preprocessor方法利用了Simcenter Nastran有限元求解器和有限元前處理的功能，可以很方便創(chuàng)建齒輪參數(shù)化的有限元網格，并在后臺調用Simcenter Nastran以計算齒輪的結構剛度數(shù)據(jù)。結合解析公式獲得的非線性接觸剛度，得到結構剛度和接觸剛度互相耦合的整體剛度曲面文件[6~9]。
基于Advanced齒輪嚙合算法，可以精確考慮輪齒嚙合過程中齒輪設計參數(shù)、微觀輪齒修型、輪齒以及輪輻結構剛度、安裝誤差等對齒輪傳動系統(tǒng)動態(tài)嚙合過程的影響。
 
上文描述了Transmission Builder的齒輪嚙合計算方法。下面以幾個例子展示算法的先進性，并用試驗進行了驗證。

4 案例介紹
4.1 Motion analytical method: Profile modification analysis
對于變速箱系統(tǒng)來說，合適的輪齒微觀修型參數(shù)是非常重要的。通過解析法（Analytical ISO + Cai）可以分析微觀修型參數(shù)對變速箱系統(tǒng)傳遞誤差的影響。在該示例中，通過Transmission Builder創(chuàng)建兩個相同的斜齒輪以及設置相應的微觀修型參數(shù)。齒數(shù)為50，模數(shù)2.71毫米、螺旋角25.2度。輪齒修緣以及修根10μm、鼓形修整4μm。設置微觀修型參數(shù)是為了讓該齒輪對在額定扭矩下靜態(tài)傳遞誤差最小，從而降低齒輪的嘯叫。兩個齒輪中的一個由恒轉矩驅動，另一個齒輪用粘性阻尼元件作為負載，以保持轉速恒定在10 rpm。分別計算了幾個扭矩工況，得到的STE曲線如圖5所示。在低扭矩負載下，可以看到典型的齒輪微觀修型狀態(tài)下的傳遞誤差曲線形狀。此外，STE在額定扭矩為20 Nm時達到最小值。在較高的載荷下，它顯示了典型的準正弦形狀。
圖5 微觀修型后的齒輪對在不同載荷條件下靜態(tài)傳遞誤差曲線
4.2 Motion analytical method: Dynamic analysis of full transmission
通過精確模擬齒輪嚙合力，分析人員可以評估由齒輪嚙合引起的變速箱系統(tǒng)動力學響應頻率特性。在第二個例子當中，使用Simcenter 3D Transmission Builder建立了一個汽車的兩級變速箱。仿真時20s，將轉速控制為0到2500RPM的掃頻轉速。
圖6 軸承載荷的瀑布圖
如圖6所示，為掃頻轉速工況下變速箱其中一個軸承的動態(tài)載荷的瀑布圖。在圖中可以看到由兩級齒輪嚙合的引起的主要階次，在主要階次旁邊能看到清晰的邊頻。這些邊頻是由于帶減重孔輪輻的結構特性引起的。由此可見，使用Simcenter 3D Transmission Builder提供的高級齒輪嚙合算法可以精確捕捉到輪輻剛度引起的細微動態(tài)響應。
圖6中所示的軸承動態(tài)載荷可以在下一步仿真中得到應用。在Simcenter 3D環(huán)境中，由多體動力學瞬態(tài)計算的動態(tài)載荷可以無縫地用于下一步的聲學仿真。分析流程如圖7所示，覆蓋了從載荷源（齒輪嚙合力）—傳遞路徑（軸承和柔性殼體結構）—聲學響應計算。并且這個過程是無縫集成的，與這個分析過程中，任何設計參數(shù)變更的影響（比如：微觀修型參數(shù)的變更）可以直接體現(xiàn)在殼體的聲學響應上，從而優(yōu)化設計和減輕NVH現(xiàn)象，如齒輪敲擊以及嘯叫現(xiàn)象。
圖 7 Simcenter 3D變速箱聲輻射分析流程
4.3Motion advanced FE preprocessor:flexibility, friction and experimental validation
相關實驗數(shù)據(jù)表明，在齒輪嚙合中考慮輪輻柔性以及嚙合齒輪對之間的摩擦是至關重要的。針對這種情況，可以用新的Advanced FE preprocessor算法，如圖8所示的第三個例子。在該例子中，其中一個齒輪輪輻上有三個減重孔，這三個減重孔會明顯降低輪輻結構的剛度。而這些特點會導致傳遞誤差曲線發(fā)生額外的變化。在該示例中，試驗與仿真同步進行，并最終對仿真與試驗得到的傳遞誤差曲線做了對比[10~11]，如圖8所示，在高扭矩負載下，輪輻剛度會對傳遞誤差曲線產生額外的影響，并且這些影響和減重孔的個數(shù)、位置以及大小是息息相關的。對比曲線表明，采用先進的Advanced FE preprocessor算法，我們可以精確的模擬微觀幾何修型后的輪齒嚙合與輪輻結構剛度之間的耦合，并在其中考慮摩擦效應帶來的影響。
圖8 Simcenter 3D Motion計算的變速箱不同載荷工況下傳遞誤差與試驗對比
 
5. 小結
西門子工業(yè)軟件開發(fā)了變速箱多體動力學仿真工具箱Transmission Builder。使用Transmission Builder，用戶可以高效、便捷地創(chuàng)建多體動力學模型，并且提供三種精細化程度的齒輪嚙合力計算方法，以解決變速箱不同復雜程度的載荷獲取問題。依托于Simcenter 3D平臺，可以提供完整的載荷提取到聲學以及結構疲勞分析流程。
 
6. 參考文獻
1. InternationalOrganization for Standardization, “ISO 6336-1. Calculation of load capacity ofspur and helical gears − Part 1 : Basicprinciples, introduction and general influence factors,” 2006.
2. Y. Cai, T.Hayashi, “The Linear Approximated Equation of Vibration for a Pair of SpurGears (Theory and Experiment.” Journal of Mechanical Design 116.2 (1994):558-564.
3. Y. Cai, “Simulation on theRotational Vibration of Helical Gears in Consideration of the Tooth Separationphenomenon (a New Stiffness Function of Helical Involute Tooth Pair),” Journal ofMechanical Design 117.3 (1995): 460-469.
4. L. Vedmar, “On the Design ofExternal Involute Helical Gears,” Ph.D. thesis, Lund Technical University,1981.
5. C. Weber, K.Banaschek, G. Niemann, Formänderung und Profilrücknahme bei gerad-und schrägverzahnten Rädern, F. Vieweg,1955.
6. A. Andersson,L. Vedmar. “A Dynamic Model to Determine Vibrations in Involute Helical Gears,” Journal of Soundand Vibration 260.2 (2003): 195-212.
7. T. Tamarozzi,G.H.K. Heirman, W. Desmet. “An On-line Time Dependent Parametric ModelOrder Reduction Scheme with Focus on Dynamic Stress Recovery,” Computer Methodsin Applied Mechanics and Engineering 268 (2014): 336-358.
8. N. Cappellini,T. Tamarozzi, B. Blockmans, J. Fiszer, F. Cosco, W. Desmet, “Semi-analyticContact Technique in a Non-linear Parametric Model Order Reduction Method forGear Simulations,” Meccanica - An International Journal of Theoretical and AppliedMechanics, 2017.
9. T. Tamarozzi,P. Jiranek, A. Rezayat, and S. Shweiki. “An effici enthybrid approach to gear contact simulation in multibody systems leveragingreduced order models.” 6th European Conference on Computational Mechanics (ECCM 6) – 15 June 2018,Glasgow, UK
10. A. Palermo,A. Toso, G. Heirman, R. Cedra, M. Gulinelli, D. Mundo, W. Desmet, “StructuralCoupling and Non-linear Effects in the Experimental Modal Analysis of aPrecision Gear Test Rig,” Proceedings of the International GearConference, 2014.
11. A. Dabizzi,G. Heirman, A. Palermo, S. Manzato, E. Di Lorenzo, S. Shweiki, A. Toso, “MultibodyModeling of a High Precision Gear Test Rig and Correlation to Experiments,” InternationalConference on Noise and Vibration Engineering (ISMA), 2016. 
分享到：
 
反對 0 舉報 0 收藏 0 評論 0
滬ICP備11026917號-25