推土機終傳動齒輪的模態分析

2013-06-10  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

作者: 袁衛華    來源: 萬方數據
關鍵字: 齒輪 模態分析 有限元分析 ANSYS  
推土機終傳動齒輪在工作過程中受到周期性載荷力的作用,有可能在標定轉速內發生強烈的共振,動應力急劇增加,致使齒輪過早出現扭轉疲勞和彎曲疲勞,因此有必要研究其振動特性。運用有限元分析理論,借助計算機軟件ANSYS,建立了精確的齒輪參數化模型,對齒輪的模態特性進行有限元分析,得到了齒輪的固有頻率和振型,并將分析結果以振型圖的形式直觀地顯示出來。采用單點激勵多點響應的敲擊測試方法,測量各敲擊點的頻響函數,得到的齒輪主要模態頻率值與有限元分析結果相符。采用有限元模態分析方法可用于齒輪的振動分析、頻率分析、噪聲分析以及齒輪的響應分析和老產品的改進設計,為解決工程結構的振動問題提供了可靠的依據,也提高了設計效率。

大功率履帶式推土機的傳動系統主要包括發動機、液力變矩器、變速器、中央傳動、轉向離合器和制動器、終傳動以及行走系統。其中終傳動結構主要采用平行軸式和行星齒輪式,以實現進一步的減速增矩。某型推土機終傳動采用平行軸式圓柱齒輪傳動方式,其結構如圖1所示。

    圖1 終傳動結構圖

終傳動齒輪在工作過程中受到周期性載荷力的作用,有可能在標定轉速內發生強烈的共振,動應力急劇增加,致使齒輪過早出現扭轉疲勞和彎曲疲勞。靜力學計算不能完全滿足設計要求,因此有必要對齒輪進行模態分析,研究其振動特眭,得到固有頻率和主振型(自由振動特性)。固有頻率反映結構的剛性指標,同時也是判斷結構在動力作用下是否會發生共振的依據,而結構的主振型與其動力反應的發生狀態有密切關系,可以直觀地判別結構固有頻率的分布范圍及各部件發生振動時相互耦合的程度。同時,模態分析也是其它動力學分析如諧響應分析、瞬態動力學分析和譜分析的基礎。

筆者運用有限元方法對推土機終傳動齒輪進行模態分析,并與試驗結果進行對比,為齒輪動態設計提供了有效的方法。

    1有限元建模

齒輪的齒廓形狀較為復雜,在ANSYS中直接建模有一定的難度,考慮到其與多數繪圖軟件具有良好的數據接口,可以方便的轉化,而proe軟件以其參數化、全相關的特點在零件造型方面表現突出,可以通過參數控制模型尺寸的變化,因此本文采用通過proe軟件對齒輪進行參數化建模,然后將模型導入到ANSYS軟件中的方法。考慮到齒輪形狀復雜,采用自適應網格劃分技術,單元類型選擇8節點四面體單元Solid45,共劃分節點11617個,單元39086個,劃分好的有限元模型如圖2所示。

    圖2 齒輪的有限元網格劃分

由于計算齒輪處于自由狀態時的模態值,所以對齒輪不施加外載荷。選擇ANSYS中的模態分析模塊,運行有限元程序。ANSYS提供了7種模態提取方法,筆者采用BlockLallczos法,該方法精確度和Subspace法一樣,收斂速度更快。

    2 結構動力學方程4試驗測試

齒輪箱體的振動可假設為一個具有n,個自由度的線性系統運動,其振動微分方程為:

結構的固有頻率和振型轉化為特征值和特征向量的問題。
3 齒輪模態分析結果

由于齒輪所受載荷的頻率一般較低,齒輪的振動是低階模態起主導作用,而高階模態對齒輪的振動影響較小,所以本文只對齒輪的前三階振型進行分析。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據,各階振型圖能清晰、直觀地反映出整個輪齒的位移分布狀況。

齒輪的各階振型圖如圖3所示,前三階振動的固有頻率、最大位移量見表1。

    表1 前三階振動的有限元計算結果

    4 試驗測試

為了將試驗結果與有限元分析結果進行對比,模態試驗齒輪采用相同的邊界條件。筆者采用了單點激勵多點響應的敲擊測試方法,測量各敲擊點的頻響函數。每組測點平均5次,測試系統主要包括沖擊錘、加速度傳感器、力傳感器、數據采集系統、微機和分析軟件。試驗模擬自由狀態,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,使其在激勵下產生振動。利用加速度傳感器測得響應,由數據采集系統檢測并放大輸入輸出信號,并將信號轉換成一定模式,最后振動分析系統軟件通過對參數識別得到頻響函數幅值集總平均曲線圖,從而得到齒輪的主要模態頻率值,如表2所示。

    圖3 前三階振型圖

    表2 有限元計算與試驗結果對比

    5 分析與結論

(1)齒輪作為推土機傳動系統裝置的重要零件,必須具有較高的結構剛度。通過上面的計算結果可以發現,該齒輪前三階模態的固有頻率都在65000Hz以上,說明該齒輪整體固有頻率較高,遠離正常工作頻率30—600Hz,齒輪的剛性比較好。齒輪振動的相對位移量較小,振動很小,具有較高的局部剛度,從而保證了推土機傳動系統的穩定性。

(2)將ANSYS有限元分析結果與模態試驗數據相比,誤差較小,表明ANSYS模態分析較為合理,選擇8節點四面體單元能較好地反映齒輪的動態剛度特性。

(3)筆者采用的有限元模態分析方法可用于齒輪的振動分析、頻率分析、噪聲分析以及齒輪的響應分析和老產品的改進設計,可提高設計效率。

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