[發明專利]一種齒輪傳動箱的系統變形計算方法

有效

• 申請號: 201410035112.0
• 申請日: 2014-01-24
• 公開（公告）號: CN103793564A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發明（設計）人: 劉越;張祖智;戈紅霞;杜萬里;馬貴葉;郭婷;馬立剛
• 申請（專利權）人: 中國北方車輛研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 中國兵器工業集團公司專利中心 11011
• 代理人: 劉東升

技術領域

本發明屬于傳動控制技術領域，具體涉及一種齒輪傳動箱的系統變形計算方法。

背景技術

齒輪傳動是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動力和運動的機械傳動，具有結構緊湊、效率高、壽命長等特點。在所有的機械傳動中，齒輪傳動應用最廣，可用來傳遞相對位置不遠的兩軸之間的運動和動力，機床、航空發動機、農業機械、建筑機械、汽車以及軍用車輛等行業中均采用了齒輪傳動作為動力和運動傳動形式。

隨著傳動系統輕量化要求和功率密度的不斷提升，產品的精細化設計已勢在必行。在軸系結構疲勞設計過程中，由于軸和軸承的支撐變形，齒輪接觸錯位量已經達到幾十到數百微米，與軸承的游隙量相當，對齒輪的疲勞精細化設計產生重要的影響。近期研究表明，軸和軸承剛度大小和變形量是相互影響的，無法通過單獨計算零部件受力得到系統的精確變形。因此，只能將軸系作為整體進行系統分析計算。然而，若直接以整個傳動系統作為研究對象，由于零部件眾多、軸承剛度的非線性特點，模型過于龐大，迭代過于復雜，不僅造成計算困難，而且極容易出錯，不宜工程推廣應用。

鑒于上述情況，如何研發出一種以軸系為基本計算對象的軸系變形計算方法，并且在軸系計算的基礎上，通過軸系間的嚙合關系和殼體與軸系間的耦合關系，計算齒輪傳動箱的系統變形，對本領域技術人員來說，是十分迫切需要努力實現的方向和目標。

發明內容

（一）要解決的技術問題

本發明要解決的技術問題是為獲取齒輪傳動箱系統在載荷作用下軸承、軸變形和齒輪錯位量的計算，保證計算精度的前提下提高計算效率。本發明以軸系為基本計算對象，提供了一種單軸變軸承剛度的迭代計算方法，并且在軸系計算的基礎上，通過軸系間的嚙合關系和殼體與軸系間的耦合關系，計算齒輪傳動箱的系統變形。

（二）技術方案

為解決上述技術問題，本發明提供一種齒輪傳動箱的系統變形計算方法，其特征在于：通過單軸變軸承剛度的迭代計算得到軸系剛度矩陣，經殼體剛度矩陣、輪齒嚙合剛度矩陣耦合為系統剛度矩陣，計算齒輪傳動箱的系統變形，該計算方法具體包括如下步驟：

步驟一，計算軸剛度矩陣，施加邊界條件和載荷，建立力學平衡方程組，通過單軸變軸承剛度的迭代計算，求解得到單軸系變形，并輸出單軸系剛度矩陣；

步驟二，在單軸系剛度矩陣的基礎上，通過殼體剛度與單軸系軸承剛度的耦合和嚙合齒輪對之間的耦合，建立傳動箱系統剛度矩陣；

步驟三，施加邊界條件和載荷，建立力學平衡方程組，求解得到傳動箱系統變形。

其中，所述軸系是指在殼體的支撐下，與外界存在嚙合關系的軸和軸上所有結構件的總成。

其中，所述剛度矩陣的類型包括軸單元剛度矩陣、軸承單元剛度矩陣、殼體剛度矩陣、單軸系剛度矩陣和傳動系統剛度矩陣。

其中，所述軸單元剛度矩陣指軸劃分節點后簡化為兩節點的梁單元，每個節點具有六個自由度；所述軸承單元剛度矩陣指軸承單元簡化為兩節點的變剛度彈簧單元，每個節點具有六個自由度，計算隨載荷變化呈現非線性特點的軸承的剛度矩陣；殼體剛度矩陣指將殼體軸承座內圈節點自由度耦合在內圈中心節點上，借助有限元軟件提取耦合節點處的剛度矩陣；單軸系剛度矩陣指軸和與軸有聯結關系的軸承剛度耦合形成的剛度矩陣；傳動系統剛度矩陣指通過輪齒嚙合剛度耦合的具有嚙合關系各軸系之間、軸系與殼體之間的剛度耦合形成的剛度矩陣。

其中，所述耦合關系包括軸和軸承耦合、軸和齒輪耦合、殼體與軸系耦合及軸系間耦合。

其中，所述軸和軸承耦合指軸系內部耦合，通過軸上節點與軸承內圈的變形協調關系耦合；軸和齒輪耦合指軸系內部耦合，通過軸上節點與齒輪齒坯的變形協調關系耦合；殼體與軸系耦合指軸系與外部耦合，通過軸承外圈與殼體軸承座變形協調關系耦合；軸系間耦合指軸系間的耦合關系主要通過殼體和齒輪嚙合關系進行耦合，通過軸承外圈與殼體軸承座、嚙合齒輪的接觸點的變形協調關系耦合。

其中，步驟一中所述單軸剛度矩陣指軸劃分節點后的梁單元組成的剛度矩陣，單軸系剛度矩陣是經變軸承剛度矩陣迭代最終由軸承剛度矩陣和單軸剛度矩陣耦合形成剛度矩陣。

其中，步驟一中所述力學平衡方程組是指剛度位移方程，即公式（1）：

δ_S＝K_S^-1×F????(1)

公式（1）中δ_S為軸系節點位移，K_S為單軸系剛度矩陣。

其中，步驟三中所述力學平衡方程組是指剛度位移方程，即公式（2）：