[发明专利]基于修正有限元的裂纹螺旋锥齿轮时变啮合刚度计算方法

说明书

本发明公开一种基于修正有限元的裂纹螺旋锥齿轮时变啮合刚度计算方法，涉及齿轮动力学分析技术领域，包括以下步骤：建立螺旋锥齿轮全齿三维模型；建立简化的螺旋锥齿轮分析模型；进行网格划分，分别建立主动轮和从动轮的有限元模型；在主动轮和从动轮的轴孔处添加旋转副约束，然后分析求解；提取啮合面上各节点引起应变的弹性变形量；单独提取每个节点的变形分量数据；分别提取主动轮啮合面上各节点的法向啮合力；进行计算获得主动轮、从动轮上其中一个工作齿的啮合刚度；获得螺旋锥齿轮的单齿啮合刚度；计算一个啮合周期内轮齿的多齿综合啮合刚度，获得综合啮合刚度。本发明能减少计算误差、提高有限元方法计算螺旋锥齿轮时变啮合刚度的精度。

技术领域

本发明涉及齿轮动力学分析技术领域，特别是涉及一种基于修正有限元的裂纹螺旋锥齿轮时变啮合刚度计算方法。

背景技术

螺旋锥齿轮因具有传动效率高、传动稳定、承载能力高等优点被广泛应用于矿山机械、交通运输、航空航天等领域。螺旋锥齿轮在传动过程中常承受重大交变载荷，极易诱发轮齿裂纹故障，引起系统振动加剧，威胁装备运行安全，是需重点监测与防范的常见故障。螺旋锥齿轮的裂纹故障会引发啮合刚度的改变，准确计算啮合刚度是螺旋锥齿轮裂纹故障动力学分析与监测诊断的重要基础。

现有啮合刚度的计算方法主要有解析法、实验法和有限元法。解析法与实验法对模数恒定直齿轮和斜齿轮而言，可通过微分原理准确获得切面解析式，且计算效率高，但对于切面模数变化、大螺旋角的螺旋锥齿轮而言，难度较大。因此，国内外学者主要采用有限元法对螺旋锥齿轮时变啮合刚度求解，并提出来许多改进的有限元计算方法，如考虑到三维应变效应的影响而提出的线性载荷作用啮合刚度计算法；通过啮合力与综合弹性变形比值得到单齿刚度，再通过平移单齿啮合刚度获得螺旋锥齿轮综合啮合刚度计算法；以单节点啮合刚度叠加计算综合啮合刚度法。

综上所述，现有研究中常采用简化五齿模型进行分析，虽然考虑了三维应变和动态啮合力的影响，但该模型轮齿进入啮合时的冲击易导致非工作面参与啮合，使得计算结果出现周期性的数值波动；此外，采用节点力和节点位移提取啮合刚度并进行平移计算综合啮合刚度的过程中，由于工作面节点和接触椭圆区域并未完全重合，会导致计算结果出现误差。

因此，提供一种基于修正有限元的裂纹螺旋锥齿轮时变啮合刚度计算方法，以解决现有技术中所存在的上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于修正有限元的裂纹螺旋锥齿轮时变啮合刚度计算方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够有效减小裂纹螺旋锥齿轮时变啮合刚度的计算误差。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于修正有限元的裂纹螺旋锥齿轮时变啮合刚度计算方法，包括以下步骤：

S1、建立螺旋锥齿轮全齿三维模型；

S2、根据螺旋锥齿轮全齿三维模型建立简化的螺旋锥齿轮分析模型；

主动轮采用全齿模型，从动轮采用与主动轮等齿数的非全齿模型，且主动轮、从动轮以从动轮一侧的第一个齿开始啮合；

S3、根据步骤S2得到的主动轮模型和从动轮模型进行网格划分，分别建立主动轮和从动轮的有限元模型；

S4、根据步骤S3建立的主动轮和从动轮的有限元模型，在主动轮和从动轮的轴孔处添加旋转副约束，主动轮的轴孔处施加转速，从动轮的轴孔处施加转矩，然后分析求解；

S5、根据步骤S4所得的分析求解结果，通过修正后的接触弹性变形方式提取啮合面上各节点引起应变的弹性变形量；

S6、单独提取每个节点的变形分量数据；

S7、根据步骤S4所得的分析求解结果，分别提取主动轮啮合面上各节点的法向啮合力；