插秧机后桥传动系统动力学研究及箱体有限元分析

摘要

齿轮系统作为现代工业生产中最主要也是最广泛的动力及运动传递装置。齿轮啮合性能的好坏直接影响到传动效率及机器设备的安全，因而这对齿轮传动系统的设计与制造提出了较高的要求。本文以乘坐式水稻插秧机设计开发项目为背景，研究后桥系统传动性能，利用ADMAS软件进行动力学仿真，并基于Ansys Workbench对齿轮接触强度进行有限元分析。同时对箱体强度及固有特性进行分析，进而作出相应改进。
　　 本文的研究成果及结论如下:
　　 1.基于齿轮系统动力学研究方法建立了直齿轮系统的动力学模型，并依据瑞利法原理推导出齿轮-轴的的等效质量的一般表达式。齿轮啮合过程中由于同时参与啮合的齿数变化，啮合综合刚度随之发生变化。过去研究人员为了简化研究过程忽略了其时变特征而视作常量，因而未能得出准确的动态啮合力变化规律。本文考虑了齿轮啮合综合刚度的时变特征，并基于Simulink对动力学模型求解得到动态啮合力曲线，发现齿轮啮合力会发生周期性的冲击。同时对比常刚度与时变刚度两种情况下的啮合力发现:处理成常刚度时，齿轮进入稳定状态后，啮合力为一定值，这与实际不符;而考虑时变刚度则较好地体现了其周期性冲击特征。
　　 2.建立了后桥传动的虚拟样机模型，对传动系统进行动力学仿真，得出齿轮动态啮合力，同时验证了理论模型中求解的合理性。进一步揭示了齿轮啮合冲击原因，指出齿轮周期性冲击不仅由自身时变刚度及轮齿啮入啮出引起，其他齿轮的轮齿啮入啮出造成的冲击也是不可忽视的因素。同时通过研究发现，转速为800r/min时的峰值比200r/min时峰值高约34.33％，说明随着转速的增加，啮合冲击峰值也会相应增加。通过有限元分析得知相应的齿轮接触应力也随之增大，增幅随着转速的增加而增加，所以当到达一定转速后将超出齿轮的接触疲劳强度极限，进而齿轮产生点蚀等破坏的危险性将增加。
　　 3.将接触应力的有限元计算结果与赫兹理论计算所得接触应力对比发现，理论值约为有限元值的1.2倍，说明传统方法所得结果偏安全。传统齿轮设计方法在进行齿轮接触疲劳强度校核时考虑了载荷系数K，往往基于安全角度考虑，通常这些系数取值偏大，进而造成资源的浪费。本文基于动力学仿真及有限元软件，为齿轮的设计和开发提供了更好的设计思路。
　　 4.通过对后桥箱体进行有限元分析得出箱体的应力分布及固有特性，对其进行强度校核并分析箱体设计的不合理之处，找出应力集中位置，并对其进行相关优化，使得改进后的箱体最大等效应力下降约23.33％，一定程度上改善了应力分布情况。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源

1．2 课题背景及意义

1．3 齿轮系统动力学概况

1．3．1 齿轮动力学的研究目的与内容

1．3．2 齿轮系统动力学发展历程

1．3．3 齿轮刚度的研究现状

1．3．4 齿轮动力学建模及求解研究现状

1．4 本课题所做工作

第二章 插秧机后桥工作原理介绍及三维建模建立

2．1 引言

2．2 插秧机后桥传动系统工作原理介绍

2．3 水稻插秧机结构介绍

2．4 水稻插秧机后桥结构特点

2．5 后桥传动系统相关力学参数计算

2．6 基于UG的齿轮系统建模

2．6．1 齿轮模型的建立

2．6．2 轴类及其他主要零部件建立

2．6．3 后桥传动系统装配

2．7 本章小结

第三章 直齿轮系统多自由度动力学分析模型的理论建模

3．1 引言

3．2 直齿轮系统的振动分析

3．3 直齿轮轮齿啮合刚度的分析

3．3．1 齿轮时变刚度形成机理

3．3．2 齿轮刚度计算方法

3．4 等效刚度、阻尼和等效质量

3．4．1 等效刚度和阻尼

3．4．2 等效质量

3．5 齿轮传动系统的建模

3．5．1 齿轮系统的动力学方程

3．5．2 直齿轮-轴系统多自由度动力学方程的建立

3．6 基于Simulink的单级齿轮轴系统动力学方程的仿真

3．6．1 Simulink平台介绍

3．6．2 齿轮动力学方程组的求解与结果分析

3．7 本章小结

第四章 后桥齿轮传动系统的ADAMS虚拟样机仿真

4．1 引言

4．2 ADAMS虚拟样机模型的建立

4．3 模型中约束及载荷的添加

4．3．1 约束的添加

4．3．2 载荷的施加

4．4 ADAMS中接触参数的确定

4．4．1 刚度参数的设定

4．4．2 力指数的确定

4．4．3 阻尼系数的确定

4．4．4 穿刺深度的确定

4．4．5 摩擦系数的确定

4．5 仿真及结果分析

4．5．1 齿轮啮合力变化过程

4．5．2 齿轮啮合力理论值计算

4．5．3 结果分析

4．6 本章小结

第五章 转速对齿轮啮合性能影响分析

5．1 引言

5．2 虚拟样机模型的建立与仿真分析

5．3 转速对齿轮接触应力影响分析

5．3．1 ANSYS workbench简介

5．3．2 有限元模型的建立

5．3．3 边界条件及载荷施加

5．3．4 结果与分析

5．4 本章小结

第六章 后桥箱体的静力学及固有特性分析

6．1 引言

6．2 后桥箱体的静力学强度分析

6．2．1 箱体有限元模型的建立

6．2．2 网格划分

6．2．3 边界条件与载荷

6．2．4 求解与分析

6．3 后桥箱体的固有特性分析

6．3．1 边界条件的添加

6．3．2 求解与分析

6．3．3 齿轮副齿频计算

6．4 结构的改进及结果分析

6．4．1 结构的改进

6．4．2 改进结果及分析

6．5 本章小结

第七章 全文总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

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