摘要：在机械工业设备中齿轮箱是重要的组成部分，其制造设计水平直接影响产品可靠性。当前该产品逐渐实现低噪声，轻量化发展，因此对其制造和设计水平提出更高要求。在本研究中，我们以ANSYS软件作为平台对常见的箱体结构，包括方形和圆形弧齿锥齿轮箱体进行分析，用于评估该箱体的动态特点，通过实验分析说明了弧齿锥齿轮行星传动齿轮箱中圆形结构具有一定的可行性。
关键词：弧齿锥齿轮；行星；传动；齿轮箱；动态特性；试验
近年来，随着科学技术的发展以及产品质量的提升，对于其设备提出更高的可靠性要求。在机械工业设备中齿轮箱是重要的组成，在整个动力传输中起着十分重要作用，其质量和设计水平将影响最终产品的可靠性。目前，该产品逐渐实现轻量化，低噪音，功率密度高的方向发展，因此对其制造和设计提出更高要求。
一、动力学模态分析
针对当前锥齿轮箱体模态分析可以采用箱体的固有频率和相应的振型，避免箱体出现共振现象，导致箱体破坏。由于在工作状态中齿轮箱会受到交变载荷作用，随时间变化其载荷处于一定频率范围内会受到内部的荷载作用。由于存在多种载荷的影响，设计初期需要考虑模态响应，能够有效防止由于箱体内、外部固有频率和激振频率相近而导致其结构破坏。在本研究中我们主要针对方形和圆形这两种箱体结构进行分析，其中方形采用的是轴向剖的方式，而圆形设计为径向剖方式，分别对对两种箱体进行模态求解，比较两种结构的特点。从模态分析上来看是ANSYS中能够分析机械结构部件的模态参数，包括固有频率和振型特点是动载荷中的重要结果在齿轮箱固有频率和振型动态分析中是十分重要的，模态分析是基于动力学理论，因此需要进行其响应和谱分析，有必要分析固有频率和其相应的振型，无论何种结构都存在固有频率和振型是结构本身的特点。从一定程度上来看模态分析实际上就是求解振动方程的特征值和向量值，其典型的方程如下所示。
模态分析是基于静态模型的前提下建立的系统固有特点，和外部荷载没有直接关系，因此可以忽略阻尼和外部荷载的影响，系统频率的值是由系统质量和刚度影响的，通过矩阵方程可获得固有频率和振型的求解公式，如下所示。
建立弧齿锥齿轮箱体的几何模型，我们可以在ANSYS前处理器中进行模型建立，也可以在CAD软件中完成模型建立，由于相对来说这种箱体结构比较复杂，虽然ANSYSY具备三维建模功能，然而并不适用于构建复杂的模型。本研究中采用的是ANSYS是于CATLA接口功能，能够将该模型导入到ANSYS中进一步进行求解分析一些结构复杂，因此在模型建立之后需要考虑计算机的运行速度，因此有必要对结构进行简化。在简化结构过程中，需要确保计算机都经过简化之后，弧齿锥体轮箱体的模型如下图所示。
图1 方形箱体结构
图2 圆形箱体结构
对箱体进行有限元分析过程中其振型是与质量更都存在联系的，因此将箱体振动特点称为做振型特征，会影响箱体在外部荷载下的响应，运用有限元的方法获得箱体的固有特点。如果在整个计算中没有产生病态矩阵，则可以求出箱体不同阶段的模态。从约束模态固有频率结果可看出，固有频率较为集中主要是与箱体结构的复杂程度有关的，然而低阶模态的固有频率对箱体产生的影响最大，因此在设计箱体过程中应当分析较为集中的低阶模态固有频率，能够尽量避开防止箱体出现共振。除此之外，在针对圆形箱体约束模态分析过程中，可以运用ANSYSY有限元软件对圆形箱体进行结果分析所得模态具有整体性，也有局部模态，大多为整体模态。在振动响应求解过程中不需要对所有的振型和频率进行调节，而低阶模态对箱体结构产生的影响是最大的，因此只需要求出递阶模态振型就可以获取足够精度。通过对其模态振型分析我们发现该圆形箱体的固有频率低，属于整体模态。其振型中有舒展运动和扭转运动，将会影响最终箱体的寿命，使齿轮出现不对称，导致磨损程度加大，因此在设计中需要尽量避免这些因素对箱体产生的影响，增加刚度，用于减少振动产生的不利影响。
表1 齿轮箱材料属性
二、受力分析
首先从该行星系统转动原理上来看，如下所示是弧齿锥齿轮行星转动的结构图，太阳轮为1，能够与箱体之间连接，支持轮为4，该系统的输出端2和3齿轮是行星轮，能够利用一根行星架轴将其连为整体，行星架的传动带动齿轮2，3行星轮能够带动4支持轮输出，该结构设计把中心轮1和4与行星架构成同构结构。在弧齿锥齿行星传动中弧齿锥齿轮的应用是比较新型的传动方式，能够实现同轴转动。本研究中支持轮4是输入轴，传动比能够达到21.5，行星架是输入轴能够实现减速运动，行星轮2和3利用轴承安装在行星架上，采用跨式支撑的方式将两段利用轴承安装在支持轮和箱体中，能够强化结构稳定性。
三、有限元分析
首先从箱体的结构上来看，行星架的是整个传动系统中脆弱的部件，也是荷载承受的重要部位，由于长期受到交变应力，突变荷载等作用力的影响，使该部件很容易出现疲劳损伤，因此需要对该结构进行受力分析，选取合适的设计参数是十分重要的。由于该行星架是与电机相连的，由于外部荷载作用，弧齿锥齿行星传动系统结构是单一的方式，其中一段为输入轴，另一端能够扮演支承的作用，其输入端采用两个背靠背安装的轴承支撑，适用于径向荷载以及承受轴向的联合作用，另一端根据实际受理情况忽略轴向力的作用，采用普通轴承支撑起到提升径向支撑的作用。在建立行星架有限元模型中，有限元的分析结果准确与是与有限元模型能否反
应真实情况确有一定联系的。在建立模型时需要真实反应工程实际问题，根据重点分析主要存在的问题，能够将反应到有限元模型中，由于在实际运行中情况较为复杂，对载荷边界条件的约束施加复杂，因此有必要简化有限元模型，但如果模型过于简单不利于结果分析，会有实际产生较大分差。因此，在有限元模型中需要采取折中的方案。
表2 约束模态频率以及振型相关描述
四、动态性能检测
在本研究中，我们将齿轮箱置于不同转速条件下对其振动和噪声进行检测，要通过对弧齿锥齿轮行星架传动齿轮箱的振型箱体进行测量，并利用计算机软件对频谱分析技术中采集的信号进行分析，能够掌握该系统的动态性能。利用计算机软件进行傅立叶变换仿真不同箱体结构的频谱曲线。通过频谱结果表明齿轮箱的动态激励主要来源于齿轮啮合激励和行星架转动激励，是由于弧齿锥齿轮未经磨齿以及行星架没有经过深加工而导致的，因此在实际设计和制造中需要重视移位问题，避免使箱体结构产生较大的运动机理。本研究选取了方形和圆形箱体结构，这两种结构能够使用于弧齿锥齿轮行星传动齿轮箱的设计，从箱体振动情况上来看符合传统特点具有较强的动态性能，但最终还是要根据实际情况进行箱体结构形成的选择。
小结
在机械传动系统中齿轮箱是重要的组成，其结构，动态性能，转动效率的要求逐渐提高，本研究利用有限元软件对圆形和方形箱体进行模态分析，通过结果发现箱体的静力学影响内齿轮的对中心性，且导致箱体出现损伤。
参考文献：
[1]陈诚.两级行星齿轮裂纹故障动力学建模与动态特性研究[D].
[2]大功率风电齿轮箱系统耦合动态特性研究[J].振动与冲击，2017（8）.
论文作者:王金林
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/19
标签：箱体论文; 齿轮箱论文; 行星论文; 结构论文; 齿轮论文; 模态论文; 频率论文; 《基层建设》2019年第13期论文;