文档介绍：2009 年 LMS 中国用户大会论文集

某火炮减速器刚柔耦合动力学仿真
王炎,马吉胜
(军械工程学院武器系统仿真研究所, 河北石家庄 050003)
摘要:通过 CATIA 与 LMS Motion 无缝接口实现了实体模型的数据导入。以多刚体动力学和
柔性多体动力学理论为基础,建立了包含柔性轴和柔性箱体的方向机刚柔耦合虚拟样机模型。通过仿真分析
了柔性体对齿轮啮合力的影响,得到了耦合作用下箱体及齿轮轴的应力和变形,为耦合动载工况下的减速器
设计提供了理论依据。
关键词:啮合力;刚柔耦合;模态综合法; Motion.
引言:
减速器是在原动机和工作机之间用于降低速度、增大扭矩的传动装置,其主要部件包括齿轮、
轴、轴承和箱体等。减速器输出端啮合力往往很大,当箱体、轴材料刚度较小时,箱体、轴的柔性
变形与输出齿轮啮合力的耦合作用不可忽略。某火炮方向减速器如图1所示,齿圈1固定不动,输出
端齿轮2与齿圈1啮合带动整个减速器及炮塔绕齿圈1转动。输出端齿轮2采用悬臂梁结构,如果箱体
和齿轮轴变形过大则使啮合振动更加恶劣,不能保证传动精度。在设计过程中为减轻减速器重量,
欲将箱体由40CrNiMoA改为ZL205。为探讨采用轻质箱体后,箱体、轴的柔性变形是否会使啮合振动
显著增大,本文以柔性多体动力学理论为基础,综合考虑箱体、轴的变形与啮合力的耦合作用,建
立了该减速器刚柔耦合动力学模型,通过分析耦合作用下载荷特性,以及箱体、轴动载下的应力和
变形验证了减重设计方案的可行性,为箱体和轴等部件的选材及强度校核提供了理论依据。

图1 某火炮方向减速传动示意图图2 齿轮扭转振动模型
1 啮合力模型
在减速器的虚拟样机建模过程中,难点在于啮合力模型的建立,在多体软件中,啮合力建模主
要由以下两种模型:
1、基于齿轮参数的啮合力模型[1,2]。
该方法以齿轮系统动力学为基础,根据齿轮系统动力学中的运动方程,建立齿轮系统扭转振动
模型如图2所示。根据牛顿定律可得这一系统的动力学模型:
•••••
Ippθθθ+−−+−−= RCRRetRKtfRRetT pm( pp gg ( )) p ( ) ( pp θθ gg ( )) p (1)
•••••
Iggθθθ−−−−−−=− RCRRetRKtfRRetT gm(())()(()) pp gg g pp θθ gg g (2)
•••
FKtfRRetCRRet啮合力=−−+−−()(())(())ppθθ gg m pp θθ gg (3)
式中: IIp , g 为主、被动轮的转动惯量;θ p ,θg 为主,被动轮的扭转振动位移; Rp , Rg 为主、被
动轮的基圆半径;K()t 为时变啮合刚度;TTp , g 为作用在主,被动轮上的外力矩;et()为齿轮传动误
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差;Cm 为啮合阻尼。 f ()θ是具有齿侧间隙时,轮齿啮合力对应的非线性函数。该模型的关键是获
得 K()t 的表达式,Y Cai[3],李润方[2]等人通过试验研究和精确的理论计算,分别提出了各自的齿轮啮
合刚