[发明专利]一种齿轮传动系统动力学分析模块化建模方法

说明书

技术领域

本发明属于动力学技术领域，涉及一种齿轮传动系统动力学分析模块化建模方法。 

背景技术

齿轮传动系统动力学是研究齿轮传动系统在传递运动和动力过程中的动力学行为的科学，它以齿轮传动系统为对象，以齿轮副啮合过程的动力学特性为核心，以提高和改善齿轮传动系统的动力学行为为目的，在考虑系统各零部件动态特性的基础上，利用振动力学理论和方法，研究齿轮传动系统在传递动力和运动中振动、冲击、噪声的基本规律，为设计制造小振动、低噪声、高可靠性、高传动性能的齿轮传动系统提供理论依据。 

根据整机的功率和转速要求，以及传动系统动力输入输出位置和设计空间约束，首先需要对传动系统进行构型方案设计。设计者在构型方案设计过程考虑的侧重点不同会产生多种多样的传动系统构型设计方案。为了对各种传动系统设计方案的动力学特性进行快速评估，需要开发一种自适应的动力学分析建模方法，可根据传动系统的构型方案数据，能够快速计算获取系统的固有频率、振型及动态响应等动力学特性数据。 

齿轮传动系统动力学的研究对象经历了由一对齿轮副组成的简单系统向同时包含齿轮、传动轴和轴承的复杂系统的发展。把整个齿轮传动系统作为分析对象，可以全面研究齿轮传动系统的动态性能，齿轮及系统其它零件对啮合过程动态激励的影响。 

目前对齿轮传动系统动力学分析的建模方法基本是针对某特定的齿轮传动系统，以牛顿第二定律为基本原理，采用集中质量法，将轴和齿轮分别抽象为 一个集中质量点，轴的扭转刚度表示为弹簧刚度，齿轮的啮合刚度表示为齿轮副间的弹簧刚度，以齿轮传动系统中的各零件为对象分别构建运动方程，然后联立所有方程形成整个系统的动力学模型。这种方法存在不具有通用性的局限性，若齿轮传动系统构型形式发生改变，则必须重新对系统各零件进行受力分析列方程以建立动力学模型，这使对多种齿轮传动系统构型方案进行动力学特性评估的过程变得十分复杂，效率低下；此外，把结构复杂的轴抽象为一个集中质量点，在较大程度上会影响动力学计算结果的准确性。为此，提出一种自适应的齿轮传动系统动力学分析模块化建模方法，只需将齿轮传动系统构型方案参数作为输入数据，无需依次建立运动方程即可自动构建动力学分析模型，同时把轴离散为若干轴段，看作若干具有刚度的轴单元，可以提高动力学计算结果的准确度。 

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种齿轮传动系统动力学分析模块化建模方法。 

其具体技术方案为： 

一种齿轮传动系统动力学分析模块化建模方法，形成具有特定输入输出接口的模块：轴模块、齿轮副模块、行星齿轮模块，具体包括以下步骤： 

1)将轴划分成若干段的小轴段，每个轴段两端作为节点，轴段看作一个具有轴扭转刚度的弹簧单元； 

2)齿轮在齿轮中心处为相应安装轴上的一个节点，即齿轮节点； 

3)功率的输入或输出中心为相应轴上的一个节点，即功率节点； 

4)齿轮对简化为两根轴上相应两节点连接的啮合单元，该单元的刚度为啮合刚度，在形成刚度矩阵时需要将啮合刚度转化为角刚度； 

5)行星齿轮作为一个独立的模块进行处理，其太阳轮在相应安装轴中心位 置作为行星齿轮与轴的耦合节点，对该耦合节点进行合并处理，即节点耦合为同一节点，节点的转动惯量为原两节点转动惯量的相加值。 

进一步优选，所述轴模块是由若干段轴串联组合而成，每个轴段两端作为节点，轴段看作一个具有轴扭转刚度的弹簧单元，每一个轴段的转动惯量与扭转刚度计算公式采用空心圆柱体(实心轴则为内径为0的空心圆柱体)的转动惯量与扭转刚度计算方法： 

1)空心圆柱体转动惯量计算公式： 

JS=πρ(D2-d2)L32]]>

式中，D为外径，d为内径，L为轴段的当量长度，ρ为材料密度； 

2)空心圆柱体扭转刚度计算公式：