[发明专利]基于切片耦合理论的斜齿轮时变啮合刚度分析方法

说明书

本发明公开了一种基于切片耦合理论的斜齿轮时变啮合刚度分析方法，旨在提高斜齿圆柱齿轮啮合刚度的计算精度。实现步骤为：输出齿轮系统基本参数；确定初始啮合位置，并齿轮沿齿宽方向进行切片；计算切片轮齿刚度、耦合刚度和齿基刚度；确定主动齿轮切片轮齿啮合变形；计算各切片啮合力、齿轮啮合力；计算轮齿啮合刚度、齿基刚度、齿轮副啮合刚度；通过一个周期仿真，得到斜齿轮系统时变啮合刚度。本发明综合考虑了轮齿非接触区域与接触区域的耦合作用，能够准确地模拟仿真斜齿轮时变啮合刚度特性。

技术领域

本发明属于机械技术领域，具体涉及到一种基于切片耦合理论的斜齿轮时变啮合刚度分析方法。

背景技术

斜齿轮系统广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域，其性能很大程度上决定了主机的性能、寿命、安全性、可靠性。时变啮合刚度是齿轮传动系统的重要内部激励，对齿轮系统的振动特性有很大的影响。

目前，针对齿轮时变啮合刚度特性，主要研究方法有解析法、有限元法。有限元法能够准确地模拟齿轮实际情况且具有较高的计算精度，但针对不同的对象需要重复建模且计算效率低等缺点。解析法中，将齿轮等效为变截面悬臂梁，应用潜在能量法计算其刚度，其刚度包括轮齿弯曲刚度、剪切刚度、径向压缩刚度、接触刚度和齿基刚度。但是，现有的方法中，均没有考虑轮齿接触区域变形与非接触区域的耦合作用，而事实上轮齿非接触区域会抵抗接触区域的变形，增强斜齿轮啮合刚度。

发明内容

针对现有方法存在的问题，本发明提供一种基于切片耦合理论的斜齿轮时变啮合刚度分析方法，该方法深入地考虑斜齿轮切片耦合作用的影响，能够准确地模拟仿真斜齿轮时变啮合刚度特性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术解决方案是：基于切片耦合理论的斜齿轮时变啮合刚度分析方法，它包括以下步骤:

步骤1：输出齿轮系统基本参数，包括齿轮参数、材料参数和载荷参数；

步骤2：确定齿轮初始啮合位置，将齿轮沿齿宽方向进行切片，确定各切片啮合状态，计算各切片轮齿刚度、切片耦合刚度和齿基刚度，并通过有限元模型确定齿基刚度修正因子；

步骤3：令轮齿初始啮合变形为δ，进一步确定啮合状态、非啮合状态各主动齿轮切片轮齿啮合变形δ_pi；

步骤4：计算各切片啮合力F_i、齿轮啮合力F_m，比较齿轮啮合力F_m与外载荷F，若|F-F_m|F_ε，设置一个新的啮合变形δ，重复步骤3；若|F-F_m|≤F_ε，即得到载荷F下齿轮啮合变形δ；

步骤5：计算轮齿啮合刚度k_tt，进一步考虑齿基刚度k_tf，计算齿轮副啮合刚度k；

步骤6：在下一个啮合位置重复上述过程直到完成一个啮合周期的仿真，得到斜齿轮系统时变啮合刚度。

优选地，所述步骤2还包括：

步骤2.1：将斜齿轮沿齿宽方向进行切片，每个切片视为薄片齿轮，每个薄片齿轮视为直齿轮；

步骤2.2：基于潜在能量法，计算各切片轮齿刚度；

步骤2.3：基于改进的多齿啮合齿基刚度计算方法，计算切片齿基刚度；

步骤2.4：基于切片耦合理论，计算切片耦合刚度；

步骤2.5：采用有限元分析软件ANSYS建立斜齿轮系统有限元模型，确定齿基刚度修正因子。

优选地，步骤2.2中，所述切片轮齿刚度采用以下公式计算：