[发明专利]一种齿轮动态啮合刚度计算方法及装置

说明书

本发明公开了一种齿轮动态啮合刚度计算方法，包括：获取齿轮副的几何参数、材料属性和齿轮运动状态参数；计算整体刚度矩阵、整体质量矩阵、整体阻尼矩阵和整体外载荷矩阵；建立齿轮啮合时的动力学分析有限元方程，采用平均加速度法求解不同时刻啮合点的动态振动位移；根据动态振动位移计算齿轮副中两个齿轮的动态刚度，并得到单齿啮合刚度；根据齿轮副重合度将单齿啮合刚度叠加得到动态啮合刚度；还公开了一种装置，包括运动状态模块、三维扫描模块和处理模块。本发明在有限元方法的基础上，不仅考虑了角位置变化对啮合刚度的影响，还考虑了齿轮转速对于齿轮啮合刚度的影响，更加真实的反映了齿轮在传动时的动态特性，使得计算结果更精确。

技术领域

本发明涉及齿轮检测技术领域，尤其是涉及一种齿轮动态啮合刚度计算方法及装置。

背景技术

在所有的机械传动中，齿轮传动凭借着传动比准确、效率高、结构紧凑、传动平稳等特点而被广泛应用。高速，平稳，高精度齿轮传动是国家重点科技攻关项目。对于精度要求较高的齿轮传动而言，进行齿轮动态特性，故障诊断，齿轮参数优化设计等研究不可或缺。因此，精确计算齿轮在传动时的啮合刚度对于高速，高精度的齿轮传动起着关键的作用。基于以上问题，对于齿轮非线性动力学的数值模拟计算成为一个日益突出的问题。目前，对于齿轮非线性动力学的模拟方法，多停留在应用现有的传统方法，如：ISO方法回归公式，半经验回归公式，石川公式以及有限元方法。ISO方法回归公式是通过回归方程来计算啮合刚度的；半经验回归公式是通过有限元数据拟合得到的，在限定的范围内计算啮合刚度具有足够的精度；而石川公式则是考虑了各个参数对于轮齿变形的影响，基于材料力学提出的计算方法；这些数值计算方法都是考虑在静力学范畴内的随着角位置变化的时变啮合刚度。

在中国专利文献上公开的“一种齿轮时变啮合刚度测量计算方法”，其公开号为CN108534966B，公开日期为2018.09.14，利用分布式光纤光栅传感器对旋转齿轮多个齿根动应变直接测量，将采集齿根应力应变信号通过数据处理方法转化为齿根的变形，通过扭矩测量和载荷分配计算得到每个齿根处的受力情况，进而得到齿轮单齿时变啮合刚度，然后对但齿啮合刚度进行插值和数值相加，进一步得到齿轮啮合的综合啮合刚度。该发明方法可对齿轮啮合过程中的多个齿根应变进行测量，同时不影响齿轮的正常运行，适用于实际动态运行工况。该技术仍然计算的是基于静力学范畴内随角位置变化的时变啮合刚度，但是齿轮副在传动过程中，往往会受到由转速或受转速影响的其它因素所产生附加的动态激励的影响，从而加剧齿轮传动的不稳定性，现有技术忽视了齿轮在转速影响下啮合速度的变化对啮合刚度的影响，导致不能真实的描述在转速的影响下齿轮系统的动力学现象。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中忽略了齿轮的啮合速度的变化对啮合刚度的影响，从而无法精确地描述在转速的影响下齿轮副传动的动态特性的问题，提供了一种齿轮动态啮合刚度计算方法及装置，在基于有限元方法的基础上，不仅考虑了角位置变化对啮合刚度的影响，还进一步考虑了转速对于齿轮啮合刚度的影响，更加真实的反映了齿轮在传动时的动态特性，使得计算结果更精确。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种齿轮动态啮合刚度计算方法，包括：

S1、获取齿轮副的几何参数、材料属性和齿轮运动状态参数；

S2、计算整体刚度矩阵、整体质量矩阵、整体阻尼矩阵和整体外载荷矩阵；

S3、基于S2中的参数建立齿轮啮合时的动力学分析有限元方程，并采用平均加速度法求解不同时刻啮合点的动态振动位移；

S4、根据动态振动位移计算齿轮副中两个齿轮的动态刚度，并得到单齿啮合刚度；

S5、根据齿轮副重合度将单齿啮合刚度进行叠加得到动态啮合刚度。