[发明专利]一种基于装配特征信息的矩形花键接触动力学仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及仿真技术领域,尤其是一种基于装配特征信息的矩形花键接触动力学仿真方法。

背景技术

花键是一种重要的传动联接形式，具有很高的可靠性，广泛用于轴类、齿轮类、联轴器等机械零件间的动力传递。传统花键的设计往往基于设计者的经验和国际标准，在设计过程中设置了很大的安全裕量。设计过程中也只对花键所受的静载荷进行计算，对动载荷则采用经验系数法进行估计。这样得到的结果会使花键设计过于保守，导致产品笨重，浪费材料。对于动载荷的经验估计也可能使花键在承受大冲击载荷时失效，使产品损坏。因此，在对产品设计要求日益精确的现代，提出一种能够分析花键动态分析的算法是十分必要的。

国内外对花键动态性能做了一些研究工作。国外一些研究者将花键简化成扭转弹簧，利用有限元分析和台架试验确定了花键的扭转刚度、阻尼系数和花键工作时表面接触状态；一些研究者分析了花键误差对花键动态性能的影响，推导出了含有花键误差的多体动力学模型，国内的一些研究人员利用集中质量模型，建立具有齿侧间隙的花键联接四自由度非线性动力学方程，计算了花键联接实际接触齿对数与综合时变啮合刚度，采用四阶Runge-Kutta法求解花键联接非线性动力学方程。这些研究对花键整体动态性能研究有一定帮助，但没有考虑装配特征信息的影响。

目前花键设计研究的几个关键技术问题：(1)花键配合公差与花键齿形公差的选择。公差选择的优良与否，不仅影响到花键的制造成本与装配成本，也影响到产品的工作质量以及花键寿命，但目前花键设计的公差选择很大程度上仍然取决于经验。花键配合公差与花键齿形公差是影响花键装配与传动最重要的两个装配特征信息，其对花键寿命和花键动态特性的影响都有待进一步研究。(2)花键接触研究。材料接触力方程一直是科研工作者关注的课题。通过合理的假设，建立材料本构方程，利用实验测定方程参数，计算材料应力，则可得到材料应变与材料所受外力的直接关系。合理的接触力计算方程，对精确计算花键接触力、分析花键受力情况以及预测花键寿命起十分关键的作用。如何建立精确的花键键齿接触与花键定心面的接触力计算方程，目前仍需深入研究。

随着产品生产要求的不断提高，国际标准化组织提出了新一代GPS。GPS是针对产品全生命周期中几何特征方面建立的一个几何技术标准体系，包含产品从宏观几何特征到微观几何特征的几何技术标准。传统的GPS基于几何学理论构建，分别形成了尺寸公差、形位公差和表面特征系列标准，但这些标准之间不完全协调、需要整合。除此之外，GPS更主要的问题在于设计、制造、检验流程中标准依据的基础理论的不统一，无法在流程之间实现几何信息的准确表达和沟通。新一代GPS标准体系着重于提供一个适宜于CAx集成环境的、更加清晰明确的、系统规范的几何公差定义和数字化设计、计量规范体系。根据GPS所提供的理论依据，可以将尺寸公差、形位公差转化为零件尺寸、位置上的变动量，将花键装配信息加入仿真模型中。

赫兹接触力理论研究两物体因受压接触后产生的局部应力和应变分布规律。1881年H.R.赫兹最早研究了玻璃透镜在接触力作用下发生的弹性变形。他假设：①接触区发生小变形。②接触面呈椭圆形。③相接触的物体可被看作是弹性半空间，接触面上只作用有分布的垂直压力。凡满足以上假设的接触称为赫兹接触。罚函数法视物体为不可变形的刚体，物体间可以发生微小穿透。当物体发生穿透时，则在从点和靶点之间引入一个较大的法向接触力，法向接触力等于从点相对于其靶点的穿透量和表征接触碰撞界面刚度的罚因子的乘积，从而使穿透部分自动回到平衡位置。国内外学者利用赫兹接触理论和罚函数法分析了许多接触问题，如球轴承运行过程中轴承内外环、轴承滚珠和保持架之间的接触状态分析、圆柱铰链的接触状态分析等，所得的分析结果与实验结果都具有很大的贴合性。利用赫兹接触力理论和罚函数法，可以分析花键定心面处和矩形花键齿侧处的接触问题。

现有技术一的技术方案

考虑了矩形花键齿侧间隙误差与径向间隙的花键动力学模型。

一般情况下花键的齿侧间隙是存在误差的，内外花键的每一对齿i在前(受载)、后(非受载)齿面都有不同的间隙值，以b_i和b′_i表示，如图1所示。当花键副加载后，齿侧间隙最小的键齿对最先接触，随后各键齿对以齿侧间隙的大小顺序依次开始接触。如果传递的转矩平均值所造成的键齿变形小于最大齿侧间隙时，花键齿中只有一部分键齿接触。由此可以得出一个分段线性的形变方程，方程需满足接触的键齿对数小于等于花键齿数。

式(1)为图1所示花键的动力学方程。