[发明专利]一种裂纹轮齿啮合刚度计算的方法

说明书

一种裂纹轮齿啮合刚度计算的方法，利用SolidWorks建立精确的齿轮模型，再利用有限元求解裂纹轮齿的应力分布。沿着轮齿的应力分布较大的区域画出曲线，以曲线为边界，定义轮齿出现裂纹时的有效厚度。将新方法定义的有效厚度加入到裂纹轮齿啮合刚度的计算中，并整合故障及无故障轮齿的刚度，求解整个啮合周期的刚度变化图形。本方法用曲线定义轮齿对有效厚度，替代了应用广泛的直线。对比直线方法下计算的啮合刚度，本方法显示了更高的精度，证明了本方法计算啮合刚度时的准确性。

技术领域

本发明涉及一种裂纹轮齿啮合刚度计算新方法，特别是一种结合有限元的，计算裂纹轮齿时变啮合刚度精确高效的方法。

背景技术

直齿圆柱齿轮作为机械传动中是一个非常重要的部件，广泛应用于各种机械中。然而在啮合过程中轮齿啮合点处的压力角不断地变化，参与啮合的齿数不恒定，导致轮齿的啮合刚度不断地变化，再加上由于生产设备和技术水平产生的制造误差，这就引起了轮齿啮合时的振动、冲击，和噪声，如果有裂纹出现，振动会更加明显。基于此，国内外学者致力于更加准确的计算轮齿啮合的刚度，使其更接近实际的啮合情况，这样可以使轮齿动力学建模更加真实可信，有助于对生产设备进行基于振动的信号检测与故障诊断。所以必须要深入研究齿轮的啮合刚度，找出最接近实际的啮合刚度的计算方法。

现在学者研究轮齿啮合刚度的变化主要有数值计算法，实验法和有限元法。能量法速度快但精度不高，实验法较准确但需要大量的时间和较好的实验条件。基于Ansys的有限元法较为普遍和接近实际，但也需要相对较长的时间。基于此，现有学者计算啮合刚度的思路为：提高和改进能量法，并与Ansys得到的仿真结果相对比，找到一种与Ansys计算误差最小的方法。当轮齿齿根出现裂纹时，普遍的计算有效齿轮厚度的方法为，用一根起始于裂纹根部平行于轮齿中线的一条直线，可以称之为‘直线影响线’；而当这种直线方法计算的啮合刚度与有限元对比时，出现了比较大的误差；鉴于此，利用有限元法观察轮齿根部出现裂纹时，观察轮齿应力的分布情况，以应力较大的区域部分为边界划线，进而计算轮齿的有效厚度，此时画出的线可以称之为‘曲线影响线’。根据新的计算轮齿的有效厚度的方法，采用能量法推导出新的轮齿时变啮合刚度。本方法对故障诊断及轮齿故障机理的研究有重要意义。

发明内容

本发明为了高效率的求解准确的裂纹齿轮副时变啮合刚度，提出了一种修正能量法的裂纹齿轮啮合刚度计算新方法，采用此方法计算裂纹齿轮时变啮合刚度计算高效，并且保证了啮合刚度的准确性。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种裂纹轮齿啮合刚度计算的方法，该方法包括以下具体步骤：

1)求解裂纹轮齿的应力分布情况：

利用SolidWorks建立裂纹轮齿单齿模型并导入Ansys中。模拟轮齿啮合实际情况，求解裂纹轮齿的应力分布。

2)计算轮齿有效厚度

以应力较大的分布区域为边界，画出裂纹影响曲线，计算曲线裂纹影响方程。

3)裂纹轮齿故障部位的啮合刚度计算：

在数学模型中加入用Ansys求解的轮齿有效厚度曲线方程，根据弹性力学原理将有效厚度曲线的影响加入到啮合杆刚度的计算中。

4)裂纹齿轮完整啮合刚度计算：

整合基于有限元及能量法计算的裂纹轮齿的啮合刚度，和能量法计算的无故障轮齿的啮合刚度，根据轮齿几何参数及角度变化即可得出裂纹齿轮随着角度变化的时变啮合刚度。