仿生表面形态对齿轮动力学性能的影响.PDF

第37卷第6期 北京工业大学学报 Vol-37No．6 OF UNIVERSITYOFTECHNOLOCY 2011年6月 JOURNALBEIJING Jun．201l 仿生表面形态对齿轮动力学性能的影响 韩志武，吕 尤，马荣峰，牛士超，任露泉 (吉林大学工程仿生教育部重点实验室，长春 130025) 摘要：为了实现齿轮的参数化建模，在Pro／e中建立渐开线直齿圆柱齿轮轮齿模型，以工程仿生学和有限元理 论为基础，运用MSC．Nastran对普通齿轮和仿生表面形态齿轮进行了瞬态频率响应分析，并通过激光雕刻技术 将仿生表面形态加工在齿面上，进行实际的台架试验．试验和有限元模拟结果表明：在相同的内部激励作用下， 普通齿轮和仿生表面形态齿轮的响应情况不同，其中仿生表面形态齿轮的形变量最小，可以有效地改善齿轮的 动力学特性，提高齿轮的可靠性． 关键词：工程仿生学；齿轮轮齿；形变量；仿生表面形态；动力学性能 164 中图分类号：TH 文献标志码：A 文章编号：0254—0037(2011)06—0806—05 齿轮是应用最广的传动零件之一，它传动效率高，传动比稳定，工作可靠性高．但是，齿轮承受交变载 荷的过程中，由于啮合综合刚度的时变性、齿廓偏离理想啮合位置而引起的齿轮瞬时传动比的变化、齿轮 的误差和受载弹性变形等因素的影响，齿与齿之间会产生碰撞和冲击，从而引起动态激励．研究表明，齿 轮啮合过程中的动态激励是齿轮传动系统产生振动和噪声的主要原因“o．随着机械工业的高速发展，齿 轮的动力学分析变得越来越重要．在齿轮的设计过程中，齿轮动力学特性的预测也受到业内极大的关注， 研究者通常应用有限元分析法和试验研究方法对齿轮传动副的动力学性能进行分析，为齿轮传动系统的 动态设计提供参考． 仿生学研究发现，许多生物体表所具有的某种特定非光滑形态有着较好的耐磨特性，长期生活在土壤 中的土壤动物(如蜣螂、蝼蛄、蚯蚓、穿山甲等)，经过亿万年的进化，形成了生物非光滑表面，其体表触土 部位呈现出凹坑、凸包、鳞片、波纹等非光滑形态，使其不仅具有良好的减黏、降阻的功能，而且具有非常高 的耐磨性能_埔o．吉林大学科研人员经过多年研究，目前已将凹坑、网格等多种仿生表面形态应用于齿轮 的耐磨性和抗疲劳性能研究，并取得了显著效果．本文进一步将网格型仿生表面形态应用于齿轮的动力 学特性研究，利用MSC．Nastran有限元软件，通过对单个轮齿齿面施加外激励的方式，模拟齿轮副在啮合 时的内部激励状态，并进行实际台架试验，以探究仿生表面形态对齿轮动力学性能的影响． 1有限元分析 1．1仿生表面形态有限元模型的建立 数包括：齿数为24，宽度为20 mm，压力角为20。，模数为4．5，变位系数为0．5．设置材料弹性模量为 2．07×105 N／m2，泊松比为0．254，密度为7．08t／m3．在齿轮节圆附近区域创建网格型仿生表面形态，几 何模型采用二阶四面体单元进行网格划分，划分后的有限元模型和仿生表面形态的局部放大如图2 所示． 收稿El期：2010-01-15． 基金项目：国家自然科学基金资助项目；教育部留学归国人员科研启动基金资助项目；吉林大学杰出青年基 金资助项目(200905016)． 作者简介：吕 尤(1983一)，男，吉林省吉林市人，博士研究生；韩志武(1969一)，男，吉林长春人，教授，博士生导师． ——型! !：!!，!：!!!!!!!!!!!!!!!!! 竺： 目t☆##齿几日《Ⅲ 目2☆m元*Ⅲ自仿±表ⅢⅢ§∞局目#^ l modelof Fig n。geomeIriethe‘e…m 2 The