基于数值方法少齿数齿轮轴模态分析

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1、1.绪论1.1课题来源、目的、背景、意义1.1.1课题来源本课题来源于陕西理工学院机械设计及理论教研室的少齿数齿轮设计与传动特性研究课题组。1.1.2本课题研究目的少齿数减速器具有传动比小，结构紧凑，重量轻等特点，但是由于少齿数齿轮面与齿轮面之间存在较大的相对滑动，这样不可避免会加剧轮齿齿面胶合、齿面点蚀、磨损和折断等。少齿数齿轮因其齿数少，螺旋角大，重合度大等特点，使其动态啮合特性成为研究的重点。因此，主要依据给定的参数，完成少齿数齿轮的设计，重点研究基于PRO/E实现少齿数齿轮轴的参数化建模，其次通过ANSYSWorkbench对其实现模态求解，得到其

2、多阶固有频率和振型，进行模态分析，为少齿数齿轮设计提供理论依据。1.1.3选题背景图1.1少齿数大传动比齿轮图1.2少齿数齿轮成品图在目前用于传递动力与运动的机构中，减速器的应用范围相当广泛，几乎在各式机械的传动系统中都离不开它，从交通工具的船舶，汽车，机车，建筑用的重型机具，机械工业所用的加工器具及自动化生产设备，到日常生活中常见的家电，钟表等等。在工业应用上，减速器具有变速及增加转矩等功能，因此广泛应用于速度与扭矩的转换设备上。当前减速器存在着体积大、重量大，或者传动比大而机械效率过低的问题。随着机械工业的发展，对齿轮传动装置提出了高速、重载、体积小、

3、质量轻、噪声小、效率高、寿命长等一系列要求。面对普通减速器存在的问题，蒋学全等人潜心研究，反复论证，设计出了少齿数齿轮减速器，1989年少齿数齿轮减速器获得了中华人民共和国实用新型专利，拉开了对少齿数齿轮研究的序幕。陕西理工学院多名学者和国内个别学者对少齿数进行了深入的研究，取得了一系列的成果。但是目前在少齿数齿轮变位系数的选择、少齿数齿轮一些影响系数的选择方面还没有形成一定的标准和图表，这给少齿数齿轮的设计带来了一些困难；另一方面，目前少齿数齿轮传动的研究成果大都是少齿数齿轮的理论设计和加工技术的探讨，关于少齿数齿轮传动的动态特性分析基本还是空白。从计算

4、机问世以来，计算机在生活的各个方面得到了广泛的应用，特别是近二十年来CAD和CAE技术的快速发展，给机械设计带来了新的生命。设计软件以其操作方便，易于修改，大大缩减了产品的设计和生产周期，可视效果好等优点得到了众多企业、公司和工程技术人员的青睐。这为少齿数齿轮传动的设计和有限元分析提供了一种非常便捷的工具。1.1.4课题研究的意义传统的机械设计是一门古老而成熟的学科，自第一次工业革命以来，经过几百年的发展，现在已相当完善。常规机械设计方法主要分为理论设计、经验设计和模型试验设计，是基于前人积累的经验结合设计理论并根据实际情况进行修正得到的设计理论，然后进行

5、校核，满足要求即可。然而，传统的手工进行绘图的机械设计方法在在日新月异的社会发展需求面前显得力不从心，渐显弊端。以计算机为代表的信息技术推动整个社会各方面的发展，同时也为机械设计这门古老的学科带来了新的生机。少齿数齿轮在国内、外轻载设备上已经得到了一定的应用，但是由于少齿数齿轮传动的理论研究不够完善，国内目前没有少齿数齿轮加工的专用设备，使少齿数齿轮传动的推广受到了一定的限制。但是重量轻、小型化、大传动比等特点会成为将来少齿数齿轮传动推广应用的优势。少齿数渐开线圆柱齿轮能否得到推广使用，发挥其优势，关键在其设计与制造上的突破，以低成本占据市场。因此，如果能

6、在加工之前，先用计算机进行少齿数齿轮轴的三维建模设计，将少齿数齿轮直观的绘出来，并导入ANSYS中进行动力学分析和研究，模拟其运动过程并提出重要的参数，将会为以后的少齿数齿轮更全面的设计和优化提供理论依据，也会为以后的加工的刀具位置计算提供重要的理论依据。1.2少齿数齿轮研究现状及发展趋势国外已经成功地将少齿数齿轮传动应用于摩托车发动机等产品；国内在助力车、电动车等领域也正在探索。目前，少齿数齿轮减速器已经国标化，但是受到加工技术的限制，加之对少齿数齿轮的研究和技术资料有限，使少齿数齿轮的应用和推广受到了一定的限制。少齿轮减速器的设计重点是少齿数齿轮轴的设

7、计问题。国内对少齿数齿轮的研究主要有：何宁和蒋学全首先解决了在普通滚齿机上加工少齿数难的问题；王宁侠等人对少齿数齿轮的变位系数的选取进行了初步的研究与探讨；蒋军等人对少齿数圆柱齿轮副双向变位进行了研究；吴俊亮等人介绍了用花键床加工少齿数(2～5个齿)、小直径圆柱斜齿轮的新方法，提高了少齿数齿轮的加工效率；王保民等人推导出了有切向综合公差引起的输出齿轮最大角度误差的计算公式和由法向侧隙引起的空回误差角的计算公式，解决了少齿数齿轮传动精度的计算问题。1.2.1少齿数齿轮的研究现状（1）少齿数齿轮传动是指小齿轮齿数Z=2~11的渐开线圆柱齿轮传动。作为渐开线齿轮

8、传动的重要组成及延伸，它有着单级传动比大、结构紧凑、重量轻等优点，