上海立龙机械设备有限公司

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改善减速电机斜齿轮共振问题研究

本文采用ANSYS 软件,对减速电机斜齿轮进行了模态有限元分析[1],计算出了斜齿轮的低阶固有振动频率和主振型以及各阶对应的最大变形量和振动应力,得到了各阶振型云图,并对各阶振型云图进行了分析,为改善减速电机斜齿轮的共振问题提供了理论方面支持。


引言

由于齿轮减速电机结构紧凑,体积小,重量轻,传动效率高等特点,广泛应用在各类传动机械上,但由于其转速高,扭矩大,容易产生振动,齿轮容易共振和噪音变大,影响电机整体性能。本文以减速电机中斜齿轮为研究对象, 首先用ANSYSWorkbench 的Geometry 模块的参数化功能


[2],精确建立了斜齿轮的三维模型,然后用ANSYS 软件的动力学分析模块分析了齿轮的固有振动特性, 计算出了斜齿轮的低阶固有振动频率和主振型以及各阶对应的最大变形量和振动应力,得到了各阶振型云图,并对各阶振型云图进行了分析,为改善减速电机斜齿轮的共振问题提供了理论方面支持。


2. 斜齿轮的模态计算与分析

2.1 斜齿轮的三维参数化建模和材料属性由于斜齿轮的齿面是渐开螺旋面,在斜齿轮建模时, 很难精确地设计出斜齿轮。在对斜齿轮建立三维的参数化模型时,关键是利用数学公式来表达斜齿轮的特征,或者利用已经存在的特征作为参考值,来定义新特征的值。



1. 引言
由于齿轮减速电机结构紧凑,体积小,重量轻,传动效率高
等特点,广泛应用在各类传动机械上,但由于其转速高,扭矩大,
容易产生振动,齿轮容易共振和噪音变大,影响电机整体性能。
本文以减速电机中斜齿轮为研究对象, 首先用ANSYS
Workbench 的Geometry 模块的参数化功能[2],精确建立了斜齿轮
的三维模型,然后用ANSYS 软件的动力学分析模块分析了齿轮的
固有振动特性, 计算出了斜齿轮的低阶固有振动频率和主振型以
及各阶对应的最大变形量和振动应力,得到了各阶振型云图,并
对各阶振型云图进行了分析,为改善减速电机斜齿轮的共振问题
提供了理论方面支持。
2. 斜齿轮的模态计算与分析
2.1 斜齿轮的三维参数化建模和材料属性
由于斜齿轮的齿面是渐开螺旋面,在斜齿轮建模时, 很难精
确地设计出斜齿轮。在对斜齿轮建立三维的参数化模型时,关键
是利用数学公式来表达斜齿轮的特征,或者利用已经存在的特征
作为参考值,来定义新特征的值。

齿轮材料40Cr,材料属性为:弹性模量EX = 2.06×1011 pa泊松比PRXY = 0.3 , 密度= 7.80×103 kg m3


2.2 网格划分

划分网格是建立有限元模型时非常重要的一个步骤,分析软件划分网格的能力和质量直接关系到分析结果的正确性和准确性,ANSYS Workbench 具有良好的网格划分能力,能够完成各种复杂几何的网格划分,有自适应网格,四面体和六面体网格等,并可以对其划分过程和划分参数进行控制。本文采用映射法对零件进行20 节点的六面体4mm 网格划分, 则有80316 个单元和135235个节点。



2.3 振型分析

对齿轮进行模态分析的目的是求出齿轮各阶固有频率及其对应主振型,因此不需对模型加载,只需对齿轮的内孔圆柱面进行自由度约束。设定模态提取阶数为20,即分析齿轮的前20 阶固有频率。


2.4 变形和应力分析

在对齿轮的前20 阶模态分析中,得到了基本振型,同时在模态分析中齿轮会产生变形和振动应力。


3. 结论

在齿轮系统的设计中,考虑齿轮固有频率和振型以避免斜齿轮系统发生共振现象。同时通过建模与计算得出了各阶频率下齿轮变形和应力曲线图,由此可以直观的看出其在各阶频率下的变化情况。通过对斜齿轮的模态振型分析表明,圆周振、扭振、弯曲振是斜齿轮发生共振可能性最大的振型。低阶的模态振型对振动的影响大,因此,在齿轮系统的设计中要充分考虑齿轮固有频率和振型,使工作频率远离齿轮的固有频率,避免发生共振。通过以上分析,可以避免电机在外界激励响应的频率产生的共振现象,为优化电机的整体性能和故障诊断提供了理论依据。


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