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基于ANSYS的减速器斜齿_直齿圆柱齿轮的模态分析_陈淑玲

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企业技术开发
2012年2，3月摘
要：文章利用三维设计软件Pro/E 建立斜齿轮、直齿轮实体模型，通过Pro/E 与ANSYS 的接口将模型导入到ANSYS
中进行齿轮的模态分析，求解得到斜齿轮、直齿圆柱齿轮的5阶固有频率、等效应力图和位移分布图，分析齿轮的模态振
型对其性能的影响，并优化工作参数，通过进一步的研究和改进，可以使其结构避免共振或按特定频率进行振动，从而提高工作效率和产品寿命。

同时，模态分析的结果为齿轮的设计和改进提供了新技术和参考依据。

关键词：齿轮；ANSYS ；模态分析；优化中图分类号：TH132.41；TP391.7
文献标识码：A
文章编号：1006-8937（2012）07-0006-03
The modal analysis of reducer helical and spur gears based on ANSYS
CHEN Shu-ling ，CHEN Fan ，LIN Li-fen
（M echanical Department ，Wuhan Vocational College of Software and Engineering ，Wuhan ，Hubei 430205，China
）Abstract:This paper applied 3D design software Pro /E to establish the models of helical and spur gears.It carries on modal analysis of gears in ANSYS environment by making use of Pro/E and ANSYS interface technology.It obtained 5ranks intrinsic frequency ，stress cloud charts and displacement maps.The influence of gears modal mode to its performance is analyzed to optimize the operating param-eters.Through further research and improvement we can avoid structural resonance or make the vibration on the specific frequency which can make work more efficient and product life better.The results of modal analysis provided new technique and reference for the design and improvement of the gears.Keywords ：gears ；ANSYS ；modal analysis ；optimization
基于ANSYS 的减速器斜齿-直齿圆柱齿轮的模态分析
陈淑玲，陈
帆，林利芬
（武汉软件工程职业学院机械系，湖北武汉430205）
收稿日期：2011-11-15
作者简介：陈淑玲（1986—），女，湖北武汉人，硕士研究生，助教，研究
方向：计算机辅助设计。

斜齿—直齿轮传动是机械传动中最重要的传动部件，被广泛地应用在各个生产领域中；传动齿轮在工作过程中受到周期性载荷力的作用，可能在标定转速内发生强烈的共振，动应力急剧增加，致使齿轮过早出现扭转疲劳和弯曲疲劳。

静力学计算不能完全满足设计要求，因此有必要对齿轮进行模态分析，研究其振动特性，得到固有频率和主振型（自由振动特性）。

同时，模态分析也是其它动力学分析，如谐响应分析、瞬态动力学分析和谱分析的基础。

本文运用有限元软件ANSYS 对斜齿—直齿圆柱齿轮减速器中的两个小齿轮进行模态分析，力求为齿轮动态设计提供有效的方法。

1模态分析的理论基础
模态分析主要用于确定结构或机器部件的振动特
性，同时也是其它动力学分析的基础，如谱分析、瞬态动力学分析及谐响应分析等。

模态分析主要包括4个步骤：建立模型、加载求解、扩展模态和观察结果，其中模态选取方法有Block Lanczos 法、Subspace 法、Reduced （House －holder ）法、PowerDynamics 法、Damped 法和Unsymmetric 法6
种方法，其中，前4种在大多数的模态分析中采用，而后2种方法只有在特殊情况下才会使用。

本文的模态提取方法采用Block Lanczos 法。

2实体模型和有限元模型的建立
ANSYS 软件具有强大的分析功能，
能够同时分析结构、热、流体、电磁、声学的高级多物理场耦合，相比于其完善的分析功能，ANSYS 的实体建模能力相对较差，在ANSYS 中直接建模斜齿轮、
直齿轮有一定的难度，考虑到它与其它多数绘图软件具有良好的数据接口，可以把其他CAD 软件中建立的模型，通过一定的文件格式输入到ANSYS 中。

而Pro/E 软件以其参数化、全相关的特点在零件造型方面表现突出，因此本文是通过Pro/E 软件对齿轮进行参数化建模，保存为iges 格式，然后将模型导入到ANSYS 软件中。

其中，斜齿轮的设计参数：模数为2mm ，齿数为30，螺旋角为14°，齿宽为70mm ，内孔直径30mm ；直齿轮的设计参数：模数为4mm ，齿数为31，齿宽为130mm ，内孔直径54mm 。

导入三维模型以后，需要定义材料属性。

选取齿轮的材料为碳钢，设定材料属性：杨氏模量E=2.2×1011，泊松比PRXY=0.3，材料密度DENS=7.8×103。

由于斜齿轮的齿面为空间曲面，难以自动进行规则的六面体网格划分，因此，在这里斜齿轮、直齿轮均采用
企业技术开发
TECHNOLOGICAL DEVELOPMENT OF ENTERPRISE 第31卷第4，7期Vol.31No.4，7
2012年2，3月
Feb ，M ar.2012
第31卷第4，7期自由网格划分方式，单元类型选择带中间节点的四面体单元Solid92，它具有10个节点，对复杂形状具有较好的适
应性。

斜齿轮、直齿轮导入到ANSYS 并进行网格划分后的结果如图1、图2所示。

图1斜齿轮网格划分的结果图2
直齿轮网格划分的结果
3加载约束
对斜齿—直齿圆柱齿轮进行模态分析的目的是求
出齿轮自由模态下的各阶固有频率和等效应力图、位移图。

因此无需对模型施加载荷，只需进行自由度约束，我们对齿轮的孔及键槽两侧位置实施固定约束。

采用的算法为ANSYS 默认的算法———Block Lanczo 。

4求解
斜齿轮、直齿轮结构的振动可以表达为各阶固有振
型的线性组合，其中低阶固有振型较高阶对结构的振动影响较大，低阶振型对齿轮结构的动态特性起着非常重要的作用，故在做结构的振动特性的分析求解时通常取前五阶即可。

表1给出了斜齿轮的前五阶固有频率。

表1
斜齿轮的前五阶固有频率
阶数12345
固有频率（Hz ）44.5158.6999.92115.70164.69
同时得到斜齿轮第一阶、第五阶固有频率下的等效应力图分别如图3、4所示，第一阶、第五阶固有频率下的位移图分别如图5、6所示。

图3频率为44.51Hz 时的等效应力图图4频率为164.69Hz
时的等效应力图
图5频率为44.51Hz 时的位移图图6频率为164.69Hz 时的位移图
陈淑玲，等：基于ANSYS 的减速器斜齿-直齿圆柱齿轮的模态分析7
企业技术开发2012年2，3月
表2给出了直齿轮的前五阶固有频率。

表2
直齿轮的前五阶固有频率
阶数12345
固有频率（Hz ）61.5362.4480.1092.44102.75
同时得到值齿轮第一阶、第五阶固有频率下的等效应力图分别如图7、8所示，第一阶、第五阶固有频率下的位移图分别如图9、10所示。

图9频率为61.53Hz 时的位移图图10频率为102.75Hz
时的位移图
5结语
通过Pro/E 软件建立斜齿轮、直齿轮的三维模型，导
入到有限元分析软件ANSYS 中对两级减速器齿轮副中的小斜齿轮、
小直齿轮进行了参数设计与网格划分、模态分析，求出了齿轮的前五阶模态，得到了相应的固有频率和等效应力、位移分布图，为了避免齿轮所在的传动系统发生共振现象，应使外界激励响应的频率避开齿轮的固有频率。

此外，通过应力分布图和位移图可以直观地分析齿轮传动的动态特性并发现薄弱环节，为齿轮的动态性能实验、设计和维护提供理论依据，并为齿轮的
结构优化提供了参考依据。

参考文献：
[1]詹友刚.Pro/ENGINEER 中文野火版4.0高级应用教程[M].
北京：机械工业出版社，2008.
[2]刘汝卫，
张钢.基于Pro/E 与ANSYS 的齿轮参数化设计及有限元分析[J].制造业信息化，2009，（10）：59-60.
[3]邓凡平.ANSYS10.0有限元分析自学手册[M].北京：
人民邮电出版社，2007.
[4]陈清胜.直齿圆柱齿轮模态的有限元法分析[J].工程图学
学报，2010，（6）：
187-190.
图7频率为61.53Hz
时的等效应力图图8频率为102.75Hz 时的等效应力图
8。

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基于Catia和Ansys Workbench直升机减速系统渐开线斜齿圆柱齿轮模态分析

基于Catia和Ansys Workbench直升机减速系统渐开线斜齿圆柱齿轮模态分析

基于Catia和Ansys Workbench直升机减速系统渐开线斜齿圆柱齿轮模态分析王航超;陈振中【摘要】基于Catia软件对直升机减速系统的渐开线斜齿圆柱齿轮进行标准参数化三维建模、尺寸标注,并通过An-sys Workbench软件中Modal模块对渐开线斜齿圆柱齿轮进行无阻尼自由振动的模态分析,得到渐开线斜齿圆柱齿轮前五阶固有频率和振型,避免外加载荷的频率接近渐开线斜齿圆柱齿轮的固有频率而发生共振现象,为渐开线斜齿圆柱齿的设计以及进行进一步动力学分析提供参考.【期刊名称】《西安航空技术高等专科学校学报》【年(卷),期】2018(036)001【总页数】5页(P24-27,71)【关键词】Catia;AnsysWorkbench;渐开线斜齿圆柱齿轮;Modal模块;自由振动;模态分析【作者】王航超;陈振中【作者单位】沈阳航空航天大学民用航空学院,沈阳 110000;沈阳航空航天大学民用航空学院,沈阳 110000【正文语种】中文【中图分类】V214.3+30 引言齿轮传动具有传动效率高、传动比精确以及传动平稳等优点，因此齿轮作为传动零件被广泛地应用于各种机械传动结构中。

在航空航天领域，直升机传动系统一般由主减速器、中间减速器、尾减速器、动力输入轴、主旋翼轴以及尾传动轴组成。

其中，主减速器主要由齿轮减速器、调节运动方向的锥齿轮传动、离合器、驻车制动装置以及润滑系统等组成。

正常工况下，飞机发动机的转速一般可达2000～3000r/min，如果将此转速直接输出给旋翼，旋翼会由于转速过高而产生激波，造成破坏，因此，主转速器的作用就是把一台或者多台发动机的功率合并到一起，再按照一定的传动比降低转速，分别传递给旋翼、尾浆以及相关部件。

所以，主减速器是直升机传动系统的重要组成部分，其功能对直升机的性能有很大影响。

在齿轮减速器中，齿轮又是其主要传动零件，齿轮在啮合传动过程中会产生机械振动，齿轮啮合结构一般可以承受轻微的振动，但是一旦啮合结构所受激励的频率(外载频率)接近其固有频率时，就会产生振幅增大、剧烈振动的共振现象。

基于ANSYS直齿圆柱齿轮有限元模态分析

基于ANSYS直齿圆柱齿轮有限元模态分析

表 1 齿轮各阶振动频率及对应主振型
模态号 节径数
1
0
2
0
3
0
4
0
5
0
6
1
7
1
8
157. 7 9547 31526 33341 53151 7727. 6 7727. 6 15233 15233
测试频率/ Hz 7912. 2 9518. 5 31510. 5 33337. 4 53159. 6 7736. 2 7735. 6 15232. 9 15210. 6
3 齿轮有限元模态分析
3. 1 齿轮有限元建摸 采用 在 ANSYS 中直 接建 模
的方法, 考虑到齿 轮在几何形状 上具有循环对称的特征, 在对其 做模态分析时可以采用循环对称 结构模态分析的方法, 因此对齿 轮进行单个齿的局部建模; 为了 简化建模过程, 在 建模过程中采 用标准齿轮, 齿轮 的端面齿形是 将计 算出的齿 廓上各点 用 B 样 条曲线拟合而得到的, 对于齿根 图 1 单 个 轮 齿有 限 过渡曲线, 由于其长度较短, 在建 元模型 模时用圆弧代替。齿轮的几何参数为: 齿数 z2= 39, 模 数 m= 3. 5, 齿宽 b= 20mm。材料属性为: 杨氏弹性模 量 E = 2. 1 @105MPa, 泊松比 L= 0. 3, 材料密度 Q= 7. 8 @103kg/ m3。在划分网格时, 采用 SHELL63 和 SOLID45 的形式( 三角形八节点六面体单元) 。划分网格后的单 个齿形模型图如图 1 所示。 3. 2 加载约束并求解
本文运用有限元法分析了齿轮的固有振动特性, 通过有限元分析软件 ANSYS 分析了齿轮的各阶模态, 得到了其低阶固有频率和对应主振型, 其分析方法和 所得结果可为直齿圆柱齿轮的动态设计提供参考, 同 时也为齿轮系统的故障诊断提供了一种方法。
基于ANSYS的直齿圆柱齿轮应力仿真分析

基于ANSYS的直齿圆柱齿轮应力仿真分析

如果给定基圆半径ｋ，应用方程式（１）， 并以ａ。为参量，即可绘出所需齿轮的渐开线 齿廓。
１．２齿根过渡曲线的实现 齿根过渡曲线是由齿条刀具的齿顶圆 弧部分加工而成，假设刀具齿顶圆弧半
径为Ｐ，圆弧所对应的圆心角为五，齿
顺高为ｈ．，加工是当轮体转过爹角后， 齿条移动距离为ｌ，根据展成法加工原 理，接触点在转动着的轮体上的轨迹就 是齿条齿形的共轭齿形，因此，齿条过 渡圆角上点的坐标即是轮齿过渡曲线的方 程Ｉ ４ｉ：
万方数据
基础及前沿研究 帽科技信息２００６年第１ ２期
ＣＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｊｕｎ．２００６
圆。一般认为单个齿轮的边界宽度和厚 度分别为６ｍ和１．７５ｍ（ｍ为模数），由此画 出齿根圆以下的部分，然后再把其组成一 个面。至此，整个轮齿的模型已建好。如图 ｌ所示。
本文链接：/Periodical_zgkjxx200612159.aspx
的轮齿的过渡曲线，但在应用时需注
意，坐标系ＡｑＡ是动坐标系，原点０
不动，两轴随痧角变化而旋转，所以在 绘制轮齿过渡曲线之前，需先将（２）式按 下式进行坐标变换【５】
Ｘ＝
Ｃ
一 ｇ试
ｙ
，● Ｊ、● ～
鲁ｌ 鼍墨
Ｓ
∞ｍ
毋毋
＋ 以以
Ｃ ∞ 毋毋
２，ＡＮＳＹＳ有限元仿真分析 ２．１轮齿模型的建立 由于用其它的ＣＡＤ软件创建的模型，
２．２材料属性与划分网格 对建好的模型进行网络划分，在此采用 Ｐ １ ａ ｎ ｅ ８ ２的单元模型，弹性模量取 Ｅ＝２ｅ１１Ｐａ；泊松比取“＝０．３，网络划分采 用自由划分。划分出来的模型如图２所示。 ２．３加载求解与后处理 对齿轮的加载本文从安全性的角度出 发，在齿顶圆的顶部施加线载荷。载荷 的大小可以根据电动机的功率和转速求 得，公式如下：
基于ANSYS的减速器斜齿_直齿圆柱齿轮的模态分析_陈淑玲

基于ANSYS的减速器斜齿_直齿圆柱齿轮的模态分析_陈淑玲

基于ANSYS的减速器斜齿_直齿圆柱齿轮的模态分析_陈淑玲减速器是一种常见的传动装置，用于调节旋转速度和输出扭矩。

其中，斜齿和直齿圆柱齿轮是减速器中常见的传动元件。

为了提高减速器的可靠性和使用寿命，对其进行模态分析十分重要。

本文将基于ANSYS软件，对减速器中的斜齿和直齿圆柱齿轮进行模态分析，以评估其振动特性和在工作过程中的可靠性。

模态分析是结构动力学的一种分析方法，通过计算和分析结构体系的固有振动频率和模态形式，可以了解结构的振动特性、动力响应以及自由振动和迫振动下的振动形态等信息。

首先，我们需要准备减速器的结构模型。

利用CAD软件绘制减速器的斜齿和直齿圆柱齿轮的三维模型，并保存为.STEP或者.IGES等与ANSYS兼容的格式。

接下来，打开ANSYS软件，通过“Geometry”模块导入保存的减速器模型。

然后，根据需要设置几何尺寸、材料属性和约束条件等。

在完成几何和材料属性的设置后，选择“Modal”模块进行模态分析。

首先，选择减速器结构模型，并设置模态分析的参数，包括求解器类型、分析类型（自由振动或迫振动）、模态数目等。

在求解过程中，ANSYS会自动计算减速器的固有频率和振动模态形式。

通过分析得到的模态结果，可以了解减速器在不同频率下的振动形态和相应的振动模态。

最后，根据模态分析结果，可以评估减速器的振动特性，包括主频率、模态形式、振动幅值等。

如果存在与工作频率相接近的主频率，可能会导致共振现象，从而影响减速器的正常工作。

在设计和使用减速器时，需要根据模态分析结果合理地选择材料和结构参数，以提高减速器的可靠性和使用寿命。

综上所述，基于ANSYS的减速器斜齿和直齿圆柱齿轮的模态分析是评估减速器振动特性和可靠性的重要方法。

通过模态分析，可以了解减速器在不同频率下的振动形态和相应的振动模态，并根据分析结果合理地选择材料和结构参数，以提高减速器的可靠性和使用寿命。