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无人机传动齿轮啮合的有限元分析

发布于:2020-01-13 21:30
有限元分析

       传动部件与发动机、旋翼共同构成了无人直升机的一个完整的机械运动系统,其中传动系统将发动机的功率和转速按照一定比例传递至旋翼。一般传动系统均为单路承载方式,且传动过程中的载荷情况较复杂,一旦发生故障将是灾难性的,尤其是对于军用无人机,这就要求传动系统必须具有很高的可靠性。齿轮传动通过轮齿啮合接触传递载荷,因其结构紧凑,传动效率高,承载力大,传动平稳等特点而广泛应用于无人直升机的传动系统设计中,掌握和了解啮合过程中齿轮上的应力分布规律,对齿轮设计和齿轮副安全工作具有重要意义。由于齿轮的承载情况较为复杂,且啮合过程中难以用测量手段获取相关信息,工程上传统的齿轮传动校核方法均是通过大量的理论假设、简化公式来进行估算,无法得到全面、准确的结果。   
       本文采用有限元分析方法,对某型无人直升机的主传动齿轮啮合过程进行数值模拟,得到了齿轮副上从啮合到分开的瞬态应力变化全过程,并根据该齿轮副的工作载荷级数对其疲劳寿命进行了预计,为该齿轮传动的优化设计提供理论参考和依据。
某型无人直升机主传动是由一对正交的弧齿锥齿组成,如图1中所示,其中小齿轮为主动齿轮,大齿轮为从动齿轮。在CATIA中建立三维模型,利用HYPERMESH前处理App进行网格划分,基于ANSYS有限元分析App,采用接触单元模拟齿轮啮合,建立齿轮副的有限元计算模型。考虑到齿轮的接触是循环的,可以简化计算模型从而减少计算的工作量和时间,故建出了大齿轮的6个齿,小齿轮只选取了前端接触区域部分,后端轴部分则略去不予考虑。选择SOLID95实体单元进行网格划分,模型总单元数为95296,总节点数为140179,建立的有限元计算模型如图中所示,图所示为建立的接触对。载荷及约束的施加采用刚体运动控制法,模拟齿轮副转速和转矩的传递。对于主动轮,定义一个速度控制刚体,施加绕主轴旋转的转速,将主齿轮定义为变形体,这样速度控制刚体可以控制主动齿轮的运动。对于从动齿轮,定义一个载荷控制刚体,定义刚体控制节点和辅助节点,将实际的转矩以点载荷的形式施加到辅助节点上,相当于在载荷控制刚体上施加了一个绕从动轮轴线的转矩。定义从动齿轮为变形体,转矩即施加到了从动齿轮上。主传动副的大、小两个齿轮的材料均为20CrMnMo材料的化学成分和力学性能参数如表所示。
       齿轮啮合是一个循环的过程,本文计算了一个循环中(即从啮合状态到分离状态)齿轮上的应力变化情况见表,所示为变化的曲线示意图。一个啮合过程中齿轮副上最大等效应力计算结果,可以看出,最小应力出现在两个齿轮刚开始啮合时,而最大应力状态出现在两个齿轮快要分离时,图中所示分别为最小应力状态和最大应力状态时齿轮副上的应力分布情况。齿轮副在一个啮合循环过程中的最大等效应力均小于材料的屈服强度,其静强度是安全的。
       发动机输出功率视为总功率,主传动齿轮副承受的载荷情况按照其工作功率所占总功率的百分比划分为4级,分别如表中所示。    根据上述的工作载荷级数、齿轮转数以及静强度计算得到的不同工作载荷下齿轮上的应力幅值,采用材料的S-N曲线确定每一级载荷对应的可用循环,应用Miner损伤累计法则,计算得到各级载荷造成的损伤,对所有损伤求和,最终得到齿轮的疲劳寿命估计值,约为4400 h。
       采用有限元分析的方法,利用HYPERMESH前处理和ANSYS分析App,应用接触对模拟齿轮拟合面的传动过程,计算了某无人直升机主传动齿轮啮合强度,得到了在啮合过程中应力变化过程和静强度安全系数,确定了危险部位及其发生时间,并根据该齿轮副的工作载荷级数对其疲劳寿命进行了预计。有限元分析的结果与实际情况较符合,表明该方法用于无人直升机的齿轮传动校核、设计是可行的和有效的,也可以为其它齿轮啮合强度分析借鉴。


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