LMS齿轮传动系统仿真解决方案2012

2012LMSVirtual.Lab齿轮传动仿真解决方案2copyrightLMSInternational-2011LMS齿轮传动建模解决方案——齿轮传动系统建模模板&齿轮啮合力定义基于一个统一界面进行齿轮传动系统的定义自动创建多体动力学模型（部件、运动副、啮合力）和几何模型采用解析齿轮啮合力模型(Cai,ISO)•考虑时变轮齿综合啮合刚度侧隙参与啮合的齿数时变轮齿啮合位置时变•考虑轮齿齿面修形和加工误差（STE）支持的齿轮类型直齿轮和斜齿轮内啮合和外啮合行星齿轮优点简单易用自动生成齿轮传动几何模型求解速度快，精确计算齿轮时变啮合力精确预测齿轮传动的载荷和传动精度计算的载荷可以进一步用于VLDurability疲劳和VLNVH振动噪声分析基于专用的齿轮建模模板创建完整的齿轮系统3copyrightLMSInternational-2011齿轮传动理论背景渐开线圆柱齿轮传动比和两齿轮节圆直径成正比啮合过程接触点沿着齿面变化模数=节圆半径/齿数圆周齿距=节圆周长/齿数压力角侧隙斜齿轮螺旋角：齿面往一个方向偏转一个角度其他类型齿轮行星齿轮,涡轮,锥齿轮,…4copyrightLMSInternational-2010Virtual.LabMotion齿轮建模方法Virtual.LabMotion具有不同复杂程度的齿轮建模方法输入轴和输出轴之间采用运动学约束*通过接触力模拟齿间啮合力**采用齿轮啮合力的解析表达式***建模方法易用程度精度支持的齿轮类型优缺点运动学模型高低所有+简单易用-无法计算啮合力标准接触力低高(1)所有+适用性广齿轮啮合力中高(2)直齿轮和斜齿轮+方法经过验证齿轮组超单元高高(3)直齿轮和斜齿轮+所有过程一次完成+采用齿轮啮合力啮合刚度变化中最高直齿轮和斜齿轮+创新技术+非常精确PDS高高(4)直齿轮和斜齿轮**************5copyrightLMSInternational-2010运动学模型定义输入轴和输出轴之间的理想传动关系简单关系：•Tout=(传动比)*Tin,•angleout=1/(传动比)*anglein在Virtual.LabMotion中可以采用两种方法：齿轮副三体相对约束(更通用)支持的齿轮类型所有局限无法考虑齿隙、局部啮合力以及接触点的移动无法考虑无法计算啮合力，因此无法用于应力计算以及疲劳和NVH计算6copyrightLMSInternational-2010齿轮副可用于模拟任何类型的齿轮主要公式r1*qbody1,2=r2*qbody2,3公共支撑部件7copyrightLMSInternational-2010三体相对约束三体相对约束主要公式：“Body3”以比例系数“Coeff.A”相对于“Body2”转动，同时“Body1”以比例系数“Coeff.B”徐相对于“Body2”转动比齿轮副更通用：可以将距离、线位移和角位移综合起来.Virtual.LabMotion中还有：二体和四体相对约束A*qbody1,2-B*qbody2,3=08copyrightLMSInternational-2010Virtual.LabMotion齿轮建模方法Virtual.LabMotion具有不同复杂程度的齿轮建模方法输入轴和输出轴之间采用运动学约束*通过接触力模拟齿间啮合力**采用齿轮啮合力的解析表达式***建模方法易用程度精度支持的齿轮类型优缺点运动学模型高低所有+简单易用-无法计算啮合力标准接触力低高(1)所有+适用性广齿轮啮合力中高(2)直齿轮和斜齿轮+方法经过验证齿轮组超单元高高(3)直齿轮和斜齿轮+所有过程一次完成+采用齿轮啮合力啮合刚度变化中最高直齿轮和斜齿轮+创新技术+非常精确PDS高高(4)直齿轮和斜齿轮**************9copyrightLMSInternational-2010基本接触力定义采用Virtual.LabMotion力工具箱中的任何力元素模拟两个部件之间的接触•典型：球－拉伸体•刚体－刚体、刚体－柔性体、柔性体－柔性体可用于模拟切向和轴向接触力详细接触力齿隙齿轮轴不平行：如齿轮轴在柔性轴承中发生振动.支持的齿轮类型所有局限计算速度计算精度不易考虑啮合刚度变化10copyrightLMSInternational-2010Virtual.LabMotion齿轮建模方法Virtual.LabMotion具有不同复杂程度的齿轮建模方法输入轴和输出轴之间采用运动学约束*通过接触力模拟齿间啮合力**采用齿轮啮合力的解析表达式***建模方法易用程度精度支持的齿轮类型优缺点运动学模型高低所有+简单易用-无法计算啮合力标准接触力低高(1)所有+适用性广齿轮啮合力中高(2)直齿轮和斜齿轮+方法经过验证齿轮组超单元高高(3)直齿轮和斜齿轮+所有过程一次完成+采用齿轮啮合力啮合刚度变化中最高直齿轮和斜齿轮+创新技术+非常精确PDS高高(4)直齿轮和斜齿轮**************11copyrightLMSInternational-2010齿轮啮合力建模：背景定义解析方法(参考:Cai/ISO/…)考虑接触刚度变化•轮齿宽度变化•接触轮齿数目变化考虑轮齿齿面修形和加工误差（STE）将啮合力施加在轮齿中心点上支持的齿轮类型直齿轮和斜齿轮内啮合和外啮合行星齿轮优点计算速度快仍旧能够保证较高的详细程度，如齿轮载荷仿真pbhkMeshingpathPitchpointForceApplied12copyrightLMSInternational-2011理论背景:Time-VaryingMeshStiffness啮合点位置时变啮合齿数时变重合度决定啮合过程的平顺性(建议大于2)当重合度为2.5时，50%的时间有两个轮齿同时发生接触，另外50%的时间同时有三个轮齿发生接触即使对于理想设计的齿轮传动系统，轮齿时变综合啮合刚度也会导致系统产生疲劳和振动噪声问题时变啮合力计算理论:Cai,ISO(VLMotion中都支持)等-0.200.20.40.60.811.21.41.600.0010.0020.0030.0040.0050.006Meshingtime0-εtzSumofk(t)ki(t)Ki-1(t)Ki+1(t)3-teeth2-teeth3-teeth2-teeth3-teethContactstiffnesspersingletoothTime-varyingstiffnesskStaticstiffnesskp1.Cai,Y.:1995,Simulationontherotationalvibrationofhelicalgearsinconsiderationofthetoothseparationphenomenon(anewstiffnessfunctionofhelicalinvolutetoothpair),TheASMEJournalofMechanicalDesign117,460–469.2.Cai,Y.andHayashi,T.:1994,Thelinearapproximatedequiationofvibrationofapairofspurgears(theoryandexperiment),TheASMEJounralofMechanicalDesign116,558–564.3.ISOStandard6336-1,CalculationofLoadcapacityofSpurandHelicalgearspart1:BasicPrinciples,IntroductionandGeneralInfluenceFactors.13copyrightLMSInternational-2010考虑齿隙影响齿轮作为力元素模拟，因此可以考虑齿隙模拟齿隙基于齿轮轴相对转动和死区来模拟接触力可能会导致计算时间的增加，但齿隙往往是旋转机械中噪声和疲劳损伤产生的重要原因将齿隙作为非线性刚度模拟k齿隙Fd14copyrightLMSInternational-2011理论背景：GearContactElement:(CaiFormulation)GearContactmodelusesamass-spring-damperapproachtomodelthecontactbetweengearteeth22125214v22v12v22v112v2v110pyycyycz1z1zyzycz1z1ccbk5.44508.0166.b0hbCoefficientValueorFormulac0c1-0.00854c2-0.11654c32.9784c4-0.00635c50.00529HelicalGear0=Helixangleh=toothdepthb=effectivefacewidthz=numberofteethy=addendummodificationcoefficient221bbbnmh25.215copyrightLMSInternational-2010啮合刚度变化K(t)=kp×k(t)kp=f(h,b,,z,y)k(t)=f(w,m,e)h,b,,z,y,m:齿轮参数e:轮齿接触比w:齿轮角速度GearContactDialogBox:16copyrightLMSInternational-2005StaticTransmissionError•Usercangiveacurverepresentingthetransmissionerror•Curveisafunctionoftherollangleorrotationangleofthefirstgearbody•K=(AverageTorque)/(Basediam.*Trans.Error)•Ifcurveisnotpresentaveragemeshingstiffness17copyrightLMSInternational-2010Virtual.LabMotion齿轮建模方法Virtual.LabMotion具有不同复杂程度的齿轮建模方法输入轴和输出轴之间采用运动学约束*通过接触力模拟齿间啮合力**采用齿轮啮合力的解析表达式***建模方法易用程度精度支持的齿轮类型优缺点运动学模型高低所有+简单易用-无法计算啮合力标准接触力低高(1)所有+适用性广齿轮啮合力中高(2)直齿轮和斜齿轮+方法经过验证齿轮组超单元高高(3)直齿轮和斜齿轮+所有过程一次完成+采用齿轮啮合力啮合刚度变化中最高直齿轮和斜齿轮+创新技术+非常精确PDS高高(4)直齿轮和斜齿轮**************18copyrightLMSInternational-2010Virtual.LabMotion齿轮组建模工具模板定义基于一个统一界面完成整个齿轮组的创建可以创建部件、运动副、啮合力和整个齿轮组的几何模型采用解析啮合力模型(Cai,ISO)支持的齿轮类型直齿轮和斜齿轮内啮合和外啮合行星齿轮优点简单易用求解速度快自动生成详细的齿轮几何模型基于专用的齿轮建模模板创建完整的齿轮系统19copyrightLMSInternational-201020copyrightLMSInternational-2010Virtual.LabMotion齿轮建模方法Virtual.LabMotion具有不同复杂程度的齿轮建模方法输入轴和输出轴之间采用运动学约束*通过接触力模拟齿间啮合力**采用齿轮啮合力的解析表达式***建模方法易用程度精度支持的齿轮类型优缺点运动学模型高低所有+简单易用-无法计算啮合力标准接触力低高(1)所有+适用性广齿轮啮合力中高(2)直齿轮