一种考虑齿轮和轴承非线性耦合的传动系统数值模拟方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN106960093A(43)申请公布日2017.07.18(21)申请号201710176943.3(22)申请日2017.03.22(71)申请人清华大学地址100084北京市海淀区100084信箱82分箱清华大学专利办公室申请人陕西汉德车桥有限公司(72)发明人范子杰周驰王琪桂良进丁炜琦(74)专利代理机构北京纪凯知识产权代理有限公司11245代理人徐宁谢斌(51)Int.Cl.G06F17/50(2006.01)权利要求书5页说明书11页附图4页(54)发明名称一种考虑齿轮和轴承非线性耦合的传动系统数值模拟方法(57)摘要本发明涉及一种考虑齿轮和轴承非线性耦合的传动系统数值模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)建立传动系统的体单元有限元模型；2)建立包含非线性轴承单元和齿轮等效啮合单元的传动系统缩聚模型；3)传动系统缩聚模型的非线性静力学求解和线性等效轴承刚度计算；4)建立包含线性等效轴承刚度的传动系统有限元接触分析模型；5)齿轮接触状态与非线性轴承刚度的平衡迭代计算。本发明综合了有限元接触分析模型和包含非线性轴承单元和齿轮等效啮合单元的缩聚模型在传动系统数值模拟中的优势，利用齿轮等效啮合参数和等效轴承刚度建立起两种模型的耦合关系，通过平衡迭代，准确实现了考虑齿轮和轴承非线性耦合的传动系统数值模拟。CN106960093ACN106960093A权利要求书1/5页1.一种考虑齿轮和轴承非线性耦合的传动系统数值模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)建立传动系统的体单元有限元模型；2)建立包含非线性轴承单元和齿轮等效啮合单元的传动系统缩聚模型；3)传动系统缩聚模型的非线性静力学求解和线性等效轴承刚度计算；4)建立包含线性等效轴承刚度的传动系统有限元接触分析模型；5)齿轮接触状态与非线性轴承刚度的平衡迭代计算。2.如权利要求1所述的一种考虑齿轮和轴承非线性耦合的传动系统数值模拟方法，其特征在于，上述步骤1)具体为：建立输入轴、输出轴和箱体的体单元有限元模型，其中，输入轴与输出轴之间通过齿轮啮合关系连接，输入轴和输出轴分别通过轴承与箱体连接，输入转矩施加在输入轴上，输出转矩施加在输出轴上，在输入轴、输出轴和箱体的体单元有限元模型中包含上述连接关系及加载的位置处建立边界节点：①输入轴：轴承中心节点、输入转矩加载节点、主动齿轮等效啮合节点；②输出轴：轴承中心节点、输出转矩加载节点、从动齿轮等效啮合节点；③箱体：轴承中心节点；每个边界节点均包含6个自由度，分别用刚性连接单元将边界节点与各部件的体单元有限元模型连接，并根据实际情况在箱体的体单元有限元模型施加外部约束。3.如权利要求2所述的一种考虑齿轮和轴承非线性耦合的传动系统数值模拟方法，其特征在于，上述步骤2)具体为：采用解析形式的非线性轴承单元对轴承进行模拟，设轴承轴向为其局部坐标系z轴方向，则非线性轴承单元的刚度矩阵Kb表示为式(1)：上式中，Fx和Fy为轴承单元沿局部坐标系x轴和y轴方向所受的径向力；Fz为轴承单元所受的轴向力；Mx和My轴承单元绕局部坐标系x轴和y轴方向所受的径向弯矩；δx和δy为轴承单元沿局部坐标系x轴和y轴方向的径向变形；δz为轴承单元的轴向变形；θx和θy为轴承单元绕局部坐标系x轴和y轴方向的转角变形；采用Guyan缩聚法对包含大量节点自由度的体单元模型进行缩聚变换，仅保留边界节2CN106960093A权利要求书2/5页点自由度，并计算各部件的缩聚刚度矩阵：其中，输入轴的缩聚刚度矩阵Ki表示为式(2)：上式中，kiaa为输入轴边界自由度对应的刚度矩阵；kibb为输入轴内部自由度对应的刚度矩阵；kiab和kiba为输入轴边界自由度和内部自由度的刚度耦合项；输出轴的缩聚刚度矩阵Ko表示为式(3)：上式中，koaa为输出轴边界自由度对应的刚度矩阵；kobb为输出轴内部自由度对应的刚度矩阵；koab和koba为输出轴边界自由度和内部自由度的刚度耦合项；箱体的缩聚刚度矩阵Kh表示为式(4)：上式中，khaa为箱体边界自由度对应的刚度矩阵；khbb为箱体内部自由度对应的刚度矩阵；khab和khba为箱体边界自由度和内部自由度的刚度耦合项；轴承单元的一端连接输入轴或输出轴缩聚模型的轴承中心节点，另一端连接与之对应的箱体缩聚模型的轴承中心节点；采用等效啮合单元对齿轮副的啮合状态进行模拟，齿轮等效啮合刚度矩阵Km表示为式(5)：上式中，N为等效啮合力作用方向单位矢量；km为啮合刚度系数；等效啮合单元的一端连接输入轴缩聚模型的主动齿轮等效啮合节点，另一端连接输出轴缩聚模型的从动齿轮等效啮合节点；将上述输入轴的缩聚刚度矩阵Ki、输出轴的缩聚刚度矩阵Ko、箱体的缩聚刚度矩阵Kh、非线