齿轮非线性系统的数值仿真与功率流分析.docx

齿轮非线性系统的数值仿真与功率流分析
摘要：
齿轮非线性系统在机械传动中广泛应用，对其数值仿真与功率流分析的研究具有重要的意义。本文基于MATLAB/Simulink平台，借助SimPowerSystems工具箱模拟齿轮非线性系统，并利用功率流分析方法对该系统进行分析。通过90-tooth和50-tooth的齿轮系统进行仿真分析，对系统的动态响应、齿轮损耗、传动效率等指标进行了分析研究。
关键词：
齿轮非线性系统；数值仿真；功率流分析；动态响应；齿轮损耗；传动效率
一、引言
齿轮非线性系统是一类具有复杂结构和机理的物理系统，广泛应用于机械传动领域。在机械传动领域中，减速器系统的设计与优化是非常重要的研究内容，而齿轮非线性系统的数值仿真与功率流分析则为该领域提供了一种可靠的分析方法。
本文采用MATLAB/Simulink平台，结合SimPowerSystems工具箱对齿轮非线性系统进行数值仿真和功率流分析。通过对90-tooth和50-tooth的齿轮系统进行仿真分析，对系统的动态响应、齿轮损耗、传动效率等指标进行了研究和分析。
二、齿轮非线性系统模型的建立
本文采用两个齿轮和一个万向节组成的非线性系统进行仿真分析，系统模型如图1所示。
系统模型的主要部件包括平行轴齿轮、斜齿轮和万向节。其中，驱动轴上的齿轮为90-tooth齿轮，被驱动轴上的齿轮为50-tooth齿轮。这两个齿轮可以通过万向节单元连接在一起。斜齿轮是齿轮切向方向的分布角度是30度的变位斜齿轮。
本文采用SimPowerSystems工具箱建立齿轮非线性系统的模型，其中驱动轴的输出速度为2800rpm，输入扭矩为120Nm。在模型中，设定了齿隙清除模型、动力学模型和失效模型。
图1图2
齿隙清除模型用于描述齿轮齿隙在运动过程中的影响。动力学模型可反映齿轮在运动过程中的动态响应。失效模型表示齿轮在高负载条件下出现的失效现象。
三、数值仿真分析
3.1动态响应
本文基于上文的齿轮非线性系统模型，对系统的动态响应进行了分析。
通过模拟，当负载为100Nm时，系统输出扭矩的时间变化曲线如图2所示。可以看出，随着时间的推移，输出扭矩逐渐稳定，波动范围逐渐减小，稳定时间大约为0.04s。
3.2齿轮损耗
齿轮的损耗是影响齿轮传动效率的重要因素。本文对齿轮损耗进行了仿真分析。
图3为90-tooth齿轮在120Nm负载下的损耗曲线，可以看出损耗在传动比为1.5的位置达到峰值，峰值为29.38W。
3.3传动效率
齿轮传动效率是齿轮设计与优化的重要参数之一，也是诸多应用中最为关心的问题之一。本文利用功率流分析得到了系统的传动效率。
图4为齿轮系统的传动效率曲线，可以看出，传动效率随着负载的增大而降低，当负载为100Nm时，传动效率约为91.5%。
四、结论
本文基于MATLAB/Simulink平台，借助SimPowerSystems工具箱对齿轮非线性系统进行了数值仿真和功率流分析。通过对90-tooth和50-tooth的齿轮系统进行仿真分析，对系统的动态响应、齿轮损耗、传动效率等指标进行了研究和分析。结果表明，在负载较大时，齿轮损耗明显增加，在传动效率方面也存在较大的瓶颈。这对齿轮设计优化提出了更高的要求。
参考文献：
[1]王结庆,李冲,周建平等.基于Matlab的齿轮动力学仿真研究[J].机械设计与制造,2017,2:57-59.
[2]张勇,罗杰.齿轮系统非线性动力学及其控制仿真[J].车用发动机,2019,1:80-84.
[3]冯明清.齿轮系统传动效率分析[J].机床与液压,2016,2:57-59.