葛林森弧齿锥齿轮的有限元模态分析

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第31卷 第5期2013 年 09月佳 木 斯 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )Journal of Jiamusi University(Natural Science Edition)Vo1．31 No．5Sep． 2013文章编号：1008—1402(2013)o5—0704一o4葛林森弧齿锥齿轮的有限元模态分析①慕 灿 ， 陈 科(1．阜阳职业技术学院．工程科技学院。安徽 阜阳236016；2．合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥230009)摘 要： 应用CAD软件 UG NX建立格里森弧齿锥齿轮实体模型，通过 UG NX与有限元分析软件 ANSYS Workbench的接口将模型导入到 ANS~S Workbench中进行齿轮的模态分析；详细介绍了应用ANSYS Workbench建立齿轮模态分析有限元模型的步骤，得到了各阶固有频率；进一步分析了模数、齿数、螺旋角、径向变位系数以及切向变位系数等因素对于齿轮模态特性的影响规律．模态分析的结果可为齿轮的设计和结构优化提供参考依据.

关键词： 格林森；齿轮；模态分析；固有频率；ANSYS Workbench中图分类号： TP391．9；TH123 ’ 文献标识码： A0 引 言1913年格林森公司发明了曲线齿锥齿轮加工机床，宣告了弧齿锥齿轮的诞生．自2O世纪60年代开始，格林森公司的弧齿锥齿轮生产技术日臻成熟，逐渐形成了一整套 比较完善的设计和加工技术_l“』，从而奠定了格林森公司在国际锥齿轮制造业中的主导地位.

弧齿锥齿轮具有承载能力强、重合度大、传动平稳等优点，在高速传动时能显著减少噪声和振动，可获得很大的传动比，对安装误差敏感性小，因此在航空、航天、工程机械等机械领域应用广泛．由于弧齿锥齿轮的几何形状、加工机床调整非常复杂，为了加速推广其在各个机械行业的应用，缩短生产周期，降低生产成本，进一步提高其使用性能，完善弧齿锥齿轮理论，近年来国内外学者运用现代技术继续开展了大量的研究工作．Gosselin 等推导出了弧齿锥齿轮载荷分配系数以及传动误差的通用计算公式，Bibeh J、Fuents 等使用有限元分析方法对弧齿锥齿轮的接触应力进行了仿真分析，Litvin 教授等采用有限元模拟仿真和物理实验相结合的方法，研究了低噪音高强度弧齿锥齿轮的设计、制造和应力分析，李源等l9 采用 MSC．Mare有限元软件分析了航空螺旋锥齿轮的啮合过程．李盛鹏等 叫¨采用 ANSYS软件对弧齿锥齿轮进行了接触分析.

弧齿锥齿轮用于高速、高载荷、大转矩等工况时，齿轮副不仅产生复杂的接触应力，而且在激励力的作用下会产生机械振动，当激励力频率与齿轮副的固有频率接近时将产生共振，不仅出现严重的噪声，齿轮副也可能受损甚至彻底失效．模态分析可以帮助设计人员确定结构的固有频率和振型，从而消除共振、降低噪声，并指导工程师预测在不同载荷作用下结构的振动形式．近年，已有学者n 坦]结合三维 CAD和有限元分析软件计算了各种圆柱齿轮的固有频率和振型，但有关结构十分复杂的格林森弧齿锥齿轮的动力学模态分析的文献则较少.

本文在 UG NX中利用参数化设计方法直接由其内部驱动程序生成格林森弧齿锥齿轮，然后将齿轮模型导人 ANSYS Workbench中进行模态分析以得到其低阶固有频率和振型，在此基础上讨论弧齿锥齿轮的主要结构参数对固有频率的影响规律，为弧齿锥齿轮的结构优化、噪音控制及进一步动力学研究打下了基础.

1 模态分析的理论基础模态分析是计算结构振动特性的数值技术，结构振动特性包括固有频率和振型．模态分析是其他动力学分析的基础，如响应谱分析、随机振动分析、谐响应分析等都需要在它的基础上进行．根据弹性① 收稿日期：2013—08—29基金项目：国家自然科学基金资助项目(51075111).

作者简介：慕灿(1972一)，男，安徽毫州人，阜阳职业技术学院副教授，硕士，研究方向：数字化设计与制造、金属材料
706 佳 木 斯 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 2013亟模态分析中唯一有效的载荷是零位移约束，其它的载荷形式均被忽略，因此仅在齿轮轴孔施加零位移约束．模态分析时因低阶模态刚度相对较弱，对于运动起主导作用，一般只需提取 5～1O阶即可满足精度要求，文中提取前 1O阶固有频率.

40，00035．000—
30，00025．000附20．000怔回 15
．00010．0005，000O模数(mm)图3 模数 一固有频率变化曲线14 l6 l8 2O 22 24卤数图4 齿数 一固有频率变化曲线+ ? _昔十 三节骧苇。 辜 苇30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40螺旋角(度)图5 螺旋角一固有频率变化曲线求解并查看结果．求解完毕后使用 ANSYSWorkbench后处理工具得到弧齿锥齿轮的前 6阶固有频率如表2所示．从表中可以看出，固有频率随着阶次的增加逐渐增大；由于齿轮结构近似对称，2和3阶、5和6阶、7和8阶、9和 10阶的固有频率基本相同.

25 000l0．0000 3 0．32 0 34 0．36 0 38 0．4 0．42 0．440．46 0．48 0．5径 向变位系数图6 径向变位系数 一固有频率变化曲线— =苴— — 卜__ = -p一 四蓖 ：耋攫
— 一 九 节! 勇 县 目 日切向变位系数图7 切向变位系数 一固有频率变化曲线表2 齿轮前 lO阶固有频率阶次 频率(I-Iz)114701658416589178492O78820789214262143629965299713 齿轮参数对固有频率的影响规律tF{器卫露卫二：四五 }{三 一(Z}{一踌 恤匦一N 一糌 协囤一 H{)脚 忙圈1 2 3 4 5 6 7 8 9 一N}{一时 忙凰第 5期 慕 灿，等：葛林森弧齿锥齿轮的有限元模态分析 7073．1 模数的影响规律在齿轮其它参数均保持不变的情况下，分别计算模数 m =4，6，8，l0，12五种情况下的前 1O阶固有频率，略去因结构和约束对称频率相近的第二、六、八和十阶(以下同)，其余各阶如图 3所示．由图可见，齿轮固有频率随模数的增大而减小，而且影响较为显著.

3．2 齿数的影响规律在齿轮其它参数均保持不变的情况下，分别计算齿数 =12，15，18，21和 24五种情况下的固有频率，如图4所示．由曲线可以看出，固有频率随齿数的增大而减小.

3．3 螺旋角的影响规律在齿轮其它参数均保持不变的情况下，分别取中点螺旋角 =30。，32．5。，35。，37．5。和 40。建立五个齿轮模型，计算所得齿轮的固有频率随中点螺旋角的变化曲线如图5所示．由图可见，齿轮的固有频率随着螺旋角的加大而变化不明显.

3．4 径向变位系数的影响规律在齿轮其它参数均保持不变的情况下，分别取径向变位系数 =0．3，0．35，0．4，0．45和0．5建立五个齿轮模型，计算所得齿轮的固有频率随径向变位系数的变化曲线如图6所示．由图可见，轮齿的固有频率随着径向变位系数的加大而略有降低.

3．5 切向变位系数的影响规律在齿轮其它参数均保持不变的情况下，分别计算切向变位系数 =0．06，0．085，0．11，0．135和0．16五种情况下的固有频率，如图7所示．可以看出，切向变位系数对齿轮固有频率的影响与径向变位系数相当，并不十分明显.

4 结 论(1)利用 UG NX中 GC工具箱的齿轮建模功能可高效建立格林森弧齿锥齿轮实体模型，大大缩短了齿轮设计的时间；同时利用 UG NX与 ANSYSWorkbench之间的数据接口，将齿轮模型精确地导人 ANSYS Workbench中，弥补了 ANSYS的建模功能的不足，提高了设计的效率.

(2)通过改变格林森弧齿锥齿轮的设计参数(包括模数、齿数、螺旋角、径向变位系数和切向变位系数)，得出了不同参数情况下固有频率的变化规律．分析结果表明，随着模数和齿数的增加，齿轮的固有频率明显减小，而中点螺旋角、径向变位系数和切向变位系数的增加将使齿轮的固有频率略有减小，但影响并不十分明显.

(3)齿轮的有限元模态分析结果为格林森弧齿锥齿轮的结构设计和进一步动力学研究提供了理论基础，同时为齿轮的结构优化和噪音控制提供了参考依据.

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(下转711页)第5期 程罗德，等：数字智慧网络视频监控系统的设计与实现 711四个个分站．管道采用 PE碳素管．每条线长为2000米．以每个分站为中心，采用星型布线 J，管道为波纹管，供电线材采用水压线．分中心到视频监视点的线路为一条视频线和一条 12V直流供电线线，分中心到红外监测点的线路为一条 24V直流供电线和一条信号线．系统部署实现结构组成示意图如图6所示.

监控系统通过前端的数据采集终端实时收集信息，然后数据流及控制信息传输到数据存储服务器，以便展示到web信息平台，进行实时、个性化的管理与监控.

4 结 语系统在设计与应用中对数据流的传输进行了改进，以套接字为接口，结合TCP和UDP数据传输协议并以此建立的大数据循环滚动栈，从而确保了数据流的高效、完整、无差错的传输，经系统正式运行验证数据传输效果非常理想．为了保证视频监控采集无盲区、高质量的要求，依据项目部署实际环境进行了特殊的设计．系统设计与开发过程中，融合了图像视频处理技术、模式识别及人工智能技术、数据库存储备份恢复技术，实现监控系统的网络化、数字化、智慧化.

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Design and Implementation of Digital Intelligence NetworkVideo Surveillance SystemCHENG Luo—de， XING Xu一 ng， SUN Tao， WANG Jian—bin(Dalian Ocean University，Dalian 1 16023，China)Abstract： The application development and the characteristics of surveilance system were analyzed firstlyin order to meet the needs of specific regulation．It was focused on the design Of the traditional data transfer corn-munication mode for development and design of functional modules．The real—team video surveillance systemwas designed and implemented from the aspects such as more functions，stronger scalability，easier maintain—ability，newer technical，and SO on，which is a new generation of typical application with fully digital，networkand inteligent surveilance systems.

Key words： inteligence；surveillance；network video(上接 707页)Finite Element Modal Analysis of Gleason Spiral Bevel GearCan ． CHEN Ke(1．Facuny of Technology Science，Fuyang Vocational and Technical Colege，Fuyang 236016，China；2．School of Mechanical andAutomotive Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)Abstract： A solid model of Gleason spiral bevel gear was established through CAD software UG NX． I emodel was imposed into the ANSYS Workbench by the interface for UG NX and ANSYS Workbench．The proce—dure of finite element model of gear modal analysis was introduced in detail and the natural frequencies in difer—ent orders were obtained．The influence of the gear parameters such as normal module，number of teeth ，helixangle and profile modifcation coeficient on gear modal was discussed in detail． e results of modal analysisprovide a reference for the design and structural optimization of the gear.

Key words ： Gleason；gear；modal analysis；natural frequency；ANSYS Workbench