Workbench心得——行星齿轮瞬态动力学分析.doc

188研究与探索Research and Exploration ·智能检测与诊断中国设备工程 2023.12（下）1 前言随着我国制造业的不断发展，越来越多的大型、重型、智能型设备被运用于各个行业，设备越大，其越需要大扭矩进行驱动，行星齿轮以其较小的体积、超高的传动比以及防止回转性等优点，被运用于采煤机、水力发电机、舰船、坦克等民用和军用装备中。

无论是煤矿开采过程中重型设备的搬运，还是矿产资源的远距离运输都会遇到各种复杂的路况，均会导致变速装置中的斜齿行星轮啮合轮齿受到严重的冲击，降低行星轮变速器的使用寿命。

齿轮在使用过程中受到冲击不仅会影响行星齿轮机构的动态性能，还会引起行星齿轮系统的振动导致其产生噪声加快系统的损坏，因此，分析齿轮传动过程中的力学性能，对行星齿轮系统进行优化设计、强度校核、噪声控制以及故障诊断均具有重大工程意义。

长时间处于高速、重载的工况条件下运行的行星轮减速器经常会出现齿面点蚀、磨损、胶合和剥落等故障。

随着人们对深度学习理论研究的不断成熟，促使故障诊基金项目：河北省重大科技成果转化专项（22293601Z）。

行星轮减速器瞬态动力学分析与故障诊断王伟，池耀磊，魏培雨，受中秋（河北金融学院，河北 保定 071051）摘要：基于斜齿轮的渐开线方程利用Solidworks 构建斜齿行星轮减速器的立体模型图，并引入ANSYS Workbench 软件中，根据斜齿行星轮系的载荷特点，利用Trancient Structura 瞬态接触分析模块，完成动态特性的仿真研究，获得斜齿行星轮系动态接触区域的应力集中点。

由于啮合传动造成应力集中点不同程度的破坏，模拟出不同的故障损伤情况，并利用卷积神经网络对不同损伤情况做出故障诊断。

本研究对保持斜行星齿轮系的平稳运行具有重大的安全意义。

关键词：行星轮；仿真；故障诊断；神经网络；Ansys中图分类号：TH132.46 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2023）12（下）-0188-03断的方法普遍用于机械、建筑、医疗、采矿等各个行业中。

引言摆线针轮行星传动属于K-H-V 行星齿轮传动，与普通的齿轮传动相比，摆线针轮行星传动具有以下主要特点：传动比范围大，单级传动比为6~119，两级传动比为121~7569，三级传动比可达6585030；结构紧凑、体积小、质量轻。

摆线针轮行星传动采用了行星传动结构和紧凑的输出机构，因而结构紧凑，与相同功率的普通齿轮传动相比，体积和质量均可减少1/2~1/3；运转平稳，噪声低；在摆线针轮行星传动过程中，摆线行星轮与针轮啮合齿数较多，且摆线行星轮与针轮的啮合、输出机构的销轴与行星轮端面的销轴孔及行星轮与偏心套之间的接触都是相对滚动，因而运转平稳、噪声低；传动效率高，除了针轮的针齿销支承部分外，其他部件均为滚动轴承支承，同时针齿套的使用使得针轮与摆线行星轮的啮合由滑动摩擦变为滚动摩擦。

因而，摆线针轮行星齿轮传动机构同一般的减速机构相比有更高的传动效率。

一般单级传动效率为90%~95%。

齿轮轴是传动的薄弱环节，限制了高速轴的转速和传递的功率。

减速器系统强度取决于减速器内部各个零件的强度，它们直接决定了减速器的使用寿命，因而各零件具有合理的强度是十分重要的。

国内外许多专家学者对减速器的强度分析作了深入的研究，常用的方法有解析法、试验法和有限元法。

张迎辉等利用MATLAB 软件分析计算得出行星架的支承刚度和曲轴的弯曲刚度对固有频率的影响明显[1]。

张迎辉等分析了机器人用RV 减速器中支承轴承刚度及曲轴和齿轮之间角度周期性变化的影响，并对轴承刚度的灵敏度进行了分析，提出了避免共振和保持精度的方法[2]。

在风电变桨减速器零部件设计过程中需要考虑零部件的传动可靠性、安装合理性，而齿轮轴作为传动的关键零件，在实际应用中至关重要，该零件也容易造成磨损，所以对其进行强度分析就显得尤为重要。

此外，对于轴这些传递动力的零件应在满足强度要求的前提下，使其尺寸尽量小、寿命尽量长。

1齿轮轴的设计因轴为齿轮轴，材料与行星齿轮的相同，故选用20CrMnTi ，渗碳淬火、回火处理。

XXXX学士学位论文直齿行星齿轮传动动力学分析作者:AAA指导教师：BB班级：CCC班2013年10月27日摘要：行星齿轮被广泛应用于船舶、飞机、汽车、重型机械等许多领域，它的振动和噪音一直以来都是普遍关注的问题。

为了减小其振动和噪音，动力学分析是必不可少的。

本文分析了行星齿轮动力学当中的一些关键性问题，提高了对于行星齿轮传动动态特性的理解。

本文在系杆随动参考坐标系下建立NGW型直齿行星齿轮传动的动力学模型。

把行星齿轮机构划分成几个相互关联的子系统，通过分析各构件间的相对位移关系利用牛顿第二定律推导出系统的运动微分方程。

应用仿真分析软件ADAMS对行星齿轮传动系统模型进行仿真模拟及运动学分析,并应用solidworks软件对行星齿轮传动系统进行三维实体参数化建模。

实现了用虚拟样机来代替实际样机进行验证设计,提高了设计质量和效率。

关键词：行星齿轮，动力学分析，ADAMS，仿真Abstract:Planetary gear noise and vibration are primary concerns in their applications in the transmissions of marine vessels, aircrafts, automobiles, and heavy machinery. Dynamic analysis is essential to the noise and vibration reduction.This work analytically investigates some critical issues and advances the understanding of planetary gear dynamics. This work Developed An analytical dynamic model of NGW spur planetary gear unit. In order to derive the displacement relationships between gears and carrier, divided the planetary gear mechanism into several sub systems. The governing differential equations were obtained by Newton's second law.ADAMS simulation analysis software for planetary gear drive system is applied to simulate and perform dynamic analysis. And solidworks software for planetary gear drive system to build three-dimensional solid parametric modeling is applied. With a virtual prototype instead of the actual prototype for the design verification, the design quality and efficiency is improved.Key word：planetary gear transmissions, dynamic analysis, ADAMS, simulation目录1 绪论 (1)1.1 本文研究的背景及意义 (1)1.2 行星齿轮传动的特点及其应用 (1)1.2.1 行星齿轮传动简介 (2)1.2.2 行星齿轮传动的特点 (2)1.2.3 行星齿轮传动的应用 (2)1.3 齿轮系统动力学概述 (4)1.3.1 动力学概述 (4)1.3.2 齿轮系统动力学研究的目标及内容 (4)1.4 行星齿轮传动动力学研究现状及展望 (5)1.4.1 行星齿轮传动动力学研究现状 (5)1.4.2 行星齿轮传动动力学研究展望 (6)1.5 论文研究的主要内容 (7)1.5.1 直齿行星齿轮传动动力学建模 (7)1.5.2 直齿行星齿轮传动固有特性分析 (8)1.5.3 直齿行星齿轮传动动响应分析 (8)1.6 初始数据 (9)2 直齿行星齿轮传动动力学建模 (10)2.1 数学模型 (10)2.2 动力学微分方程的推导 (11)2.2.1 变形协调条件的推导 (11)2.2.2 子构件运动微分方程的建立 (13)2.2.3 系统运动微分方程的建立 (17)3 相关设计参数的计算 (19)3.1 尺寸参数与质量参数的计算 (19)3.1.1 尺寸系数的计算 (19)3.1.2 质量参数的计算 (20)3.2 载荷计算 (20)3.3 刚度参数的计算 (24)3.3.1 轴承刚度系数的计算方法 (25)3.3.2 齿轮啮合综合刚度的计算方法 (27)3.3.3 刚度参数的计算结果 (31)3.4 轮齿啮合点的计算 (31)4 直齿行星齿轮传动固有特性分析 (32)4.1 ADAMS中动力学模型的建立 (32)4.2 利用ADAMS进行固有特性分析 (32)4.2.1 直齿行星齿轮传动系统的固有频率分析 (33)4.2.2 直齿行星齿轮传动系统的振型分析 (33)4.3 数学模型与仿真模型结果对比 (35)4.4 直齿行星齿轮传动固有特性分析的结论 (36)4.4.1 旋转模式 (36)4.4.2 平移模式 (36)4.4.3 行星模式 (37)5 直齿行星齿轮传动动响应分析 (38)5.1 直齿行星齿轮系统实体模型的建立 (38)5.2 ADAMS与solidworks之间的数据交换 (38)5.3 建立行星齿轮多体动力学模型 (38)5.3.1 ADAMS碰撞力的选择及定义 (39)5.3.2 碰撞参数的确定 (40)5.4 仿真计算 (41)5.4.1 输入输出转速仿真结果及分析 (41)5.4.2 接触力仿真结果及分析 (42)6 全文总结及展望 (47)6.1 全文总结 (47)6.2 展望 (47)致谢参考文献附录1 绪论1.1 本文研究的背景及意义随着科学技术的飞速发展，机械工业也发生着日新月异的变化，特别是近二三十年来机电一体化产品的广泛应用，在机械、航空、航天领域的机电系统正朝着高速、重载、大柔度、高精度和自动化的方向发展，使得人们对设备的动态性能提出了更高的要求。

W o r k b e n c h心得——行星齿轮瞬态动力学分析-标准化文件发布号：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII首先拿到模型可以看出这里是个行星轮结构。

在这里首先将三角形的齿轮架给刚化，因为整个分析中不考虑它的影响，主要考虑齿轮之间的作用。

然后我们就需要对模型添加约束和连接，主要包括有joints和frictionless contacts，添加完的效果如图。

添加过程请看下面详述。

首先添加三个类似的运动副，都是需要Body-Ground形式。

第一个添加太阳轮的旋转副。

revolute joint。

Body-ground。

再添加三角架的旋转副。

revolute joint。

Body-ground。

再添加内齿圈的固定副。

fixed joint。

Body-ground。

接着添加一个Body-Body的旋转副，也就是三角板与行星轮之间的旋转连接。

revolute。

Body-Boby。

最后就是两个齿轮之间的接触关系设置。

按照经验，在不考虑齿轮间摩擦的情况下，选择frictionless 接触类型。

之后，connections定义完全后，就可以对其进行网格划分。

网格划分这里完全采用Automatic不详述。

在之间添加了joints的基础之上，现在可以施加Joint load，这里我们取太阳轮为主动轮，添加一个Rotational Velocity的load。

最后，个人认为也是最关键的，就是对瞬态分析的参数（时间步）进行设置。

最后的最后，经过一个半小时的计算，得到计算结果。

帮帮帮帮帮。

XXXX学士学位论文直齿行星齿轮传动动力学分析作者:AAA指导教师：BB班级：CCC班2013年10月27日摘要：行星齿轮被广泛应用于船舶、飞机、汽车、重型机械等许多领域，它的振动和噪音一直以来都是普遍关注的问题。

为了减小其振动和噪音，动力学分析是必不可少的。

本文分析了行星齿轮动力学当中的一些关键性问题，提高了对于行星齿轮传动动态特性的理解。

本文在系杆随动参考坐标系下建立NGW型直齿行星齿轮传动的动力学模型。

把行星齿轮机构划分成几个相互关联的子系统，通过分析各构件间的相对位移关系利用牛顿第二定律推导出系统的运动微分方程。

应用仿真分析软件ADAMS对行星齿轮传动系统模型进行仿真模拟及运动学分析,并应用solidworks软件对行星齿轮传动系统进行三维实体参数化建模。

实现了用虚拟样机来代替实际样机进行验证设计,提高了设计质量和效率。

关键词：行星齿轮，动力学分析，ADAMS，仿真Abstract:Planetary gear noise and vibration are primary concerns in their applications in the transmissions of marine vessels, aircrafts, automobiles, and heavy machinery. Dynamic analysis is essential to the noise and vibration reduction.This work analytically investigates some critical issues and advances the understanding of planetary gear dynamics. This work Developed An analytical dynamic model of NGW spur planetary gear unit. In order to derive the displacement relationships between gears and carrier, divided the planetary gear mechanism into several sub systems. The governing differential equations were obtained by Newton's second law.ADAMS simulation analysis software for planetary gear drive system is applied to simulate and perform dynamic analysis. And solidworks software for planetary gear drive system to build three-dimensional solid parametric modeling is applied. With a virtual prototype instead of the actual prototype for the design verification, the design quality and efficiency is improved.Key word：planetary gear transmissions, dynamic analysis, ADAMS, simulation目录1 绪论 (1)1.1 本文研究的背景及意义 (1)1.2 行星齿轮传动的特点及其应用 (1)1.2.1 行星齿轮传动简介 (2)1.2.2 行星齿轮传动的特点 (2)1.2.3 行星齿轮传动的应用 (2)1.3 齿轮系统动力学概述 (4)1.3.1 动力学概述 (4)1.3.2 齿轮系统动力学研究的目标及内容 (4)1.4 行星齿轮传动动力学研究现状及展望 (5)1.4.1 行星齿轮传动动力学研究现状 (5)1.4.2 行星齿轮传动动力学研究展望 (6)1.5 论文研究的主要内容 (7)1.5.1 直齿行星齿轮传动动力学建模 (7)1.5.2 直齿行星齿轮传动固有特性分析 (8)1.5.3 直齿行星齿轮传动动响应分析 (8)1.6 初始数据 (9)2 直齿行星齿轮传动动力学建模 (10)2.1 数学模型 (10)2.2 动力学微分方程的推导 (11)2.2.1 变形协调条件的推导 (11)2.2.2 子构件运动微分方程的建立 (13)2.2.3 系统运动微分方程的建立 (17)3 相关设计参数的计算 (19)3.1 尺寸参数与质量参数的计算 (19)3.1.1 尺寸系数的计算 (19)3.1.2 质量参数的计算 (20)3.2 载荷计算 (20)3.3 刚度参数的计算 (24)3.3.1 轴承刚度系数的计算方法 (25)3.3.2 齿轮啮合综合刚度的计算方法 (27)3.3.3 刚度参数的计算结果 (31)3.4 轮齿啮合点的计算 (31)4 直齿行星齿轮传动固有特性分析 (32)4.1 ADAMS中动力学模型的建立 (32)4.2 利用ADAMS进行固有特性分析 (32)4.2.1 直齿行星齿轮传动系统的固有频率分析 (33)4.2.2 直齿行星齿轮传动系统的振型分析 (33)4.3 数学模型与仿真模型结果对比 (35)4.4 直齿行星齿轮传动固有特性分析的结论 (36)4.4.1 旋转模式 (36)4.4.2 平移模式 (36)4.4.3 行星模式 (37)5 直齿行星齿轮传动动响应分析 (38)5.1 直齿行星齿轮系统实体模型的建立 (38)5.2 ADAMS与solidworks之间的数据交换 (38)5.3 建立行星齿轮多体动力学模型 (38)5.3.1 ADAMS碰撞力的选择及定义 (39)5.3.2 碰撞参数的确定 (40)5.4 仿真计算 (41)5.4.1 输入输出转速仿真结果及分析 (41)5.4.2 接触力仿真结果及分析 (42)6 全文总结及展望 (47)6.1 全文总结 (47)6.2 展望 (47)致谢参考文献附录1 绪论1.1 本文研究的背景及意义随着科学技术的飞速发展，机械工业也发生着日新月异的变化，特别是近二三十年来机电一体化产品的广泛应用，在机械、航空、航天领域的机电系统正朝着高速、重载、大柔度、高精度和自动化的方向发展，使得人们对设备的动态性能提出了更高的要求。