有限元分析软件Abaqus的直齿圆柱齿轮模态分析

 齿轮是最常用的零部件之一，起到了传递扭矩的作用。为了研究齿轮固有频率和振型的影响因素，改善齿轮的动态特性，齿轮通过与其它齿状机械零件（如另一齿轮、齿条、蜗杆）传动，可实现改变转速与扭矩、改变运动方向和改变运动形式等功能。

 本文运用SolidWorks三维建模软件建立齿轮建模，并运用ABAQUS和振动分析理论对模型进行模态分析，用Lanczos算法提取固有频率，得到齿轮的模态和振型，为优化齿轮的结构设计提供支持。

 本文以ABAQUS有限元分析软件为平台，对齿轮进行模态分析，提取了前6阶固有频率与振型，通过不同材料和腹板倒角的齿轮选择，对固有频率与振型变化趋势的分析，为齿轮的结构设计和优化及提供了设计依据，同时为进一步的动力学分析奠定了基础。

模态分析的基本理论

 1、基本理论

 模态是机械结构的固有振动特性，指结构在各频率下的动态响应，一个系统的动态响应是其若干阶模态振型的综合。对于一般的多自由度系统来说，运动都可以由其振动的模态来合成，有限元的模态分析就是建立模型模态进行数值分析的过程，其运动微分方程是

（1）

 其中

 {M}--质量矩阵；

 [C]--阻尼矩阵；

 [K]--刚度矩阵；

 X（t）--系统各点的位移响应向量；

 F（t）--系统各点的激励力向量；

 对于无阻尼无振动的自由系统来说，阻尼项和外力项都是零，于是上述微分方程可以化为

 （2）

 由于弹性体的自由振动可以分为一系列的简谐运动的叠加，为了确定弹性体的自由振动固有频率和振型，考虑简谐运动的解为

 （3）

 把（3）带入（2）

 （4）

这是一个关于{x（t）}的n元线性齐次代数方程组，该方程组有非零解的充要条件是它的系数行列式等于0，即

 （5）

该行列式称为特征行列式。将它展开可得到关于w的n次代数式此式称为系统频率方程

 （6）

 假定系统的刚度矩阵和质量矩阵都是正定的实对称矩阵，在数学上可以证明，在这一条件下，频率方程（6）的n个根均为正实根，他们对应系统的n个固有频率，即这里假定各根互不相等，即没有重根，因此可以由小到大排列为w12

 2、齿轮有限元模型的建立

 （1）齿轮建模

 由于直接在abaqus中建立齿轮的模型比较麻烦，故先在solidworks中建立齿轮的三维模型，然后再导入abaqus中。

图1齿轮模型

 （2）齿轮边界约束

 对齿轮进行模态分析的目的主要是获得齿轮不同阶下的固有频率和振型，因而不需要对齿轮进行加载，只需约束其边界条件，根据齿轮的工作条件，对齿轮的内圆柱面和键槽面的x、y、z方向的平动位移进行约束。

 （3）齿轮网格划分

 对齿轮进行网格划分，最大整体尺寸为3，几何次数选择线性摄动，选取单元类型为四面体单元C3D4。

 3、有限元结果分析

 （1）材料不同

 不同材料的弹性模量和泊松比及密度不同，进而会影响到齿轮的固有频率和振型，本文中选择灰口铸铁、球墨铸铁、铸钢、碳钢和合金钢。通过模态分析查看不同材料对于齿轮固有频率的影响，因为低阶频率对于结构的振动影响较大，所以仅取了模态的前6阶模态分析结果，图2是齿轮的振型图以及最大位移振动变化，由于不同材料的振型图较多，故只选取碳钢的齿轮的1、3、5阶振型图作为示意。

一阶振型图

三阶振型图

五阶振型图

碳钢齿轮的1、3、5阶振型图

 由振型图可以很直观的看出齿轮的振动形态，观察到齿根处和轮齿为齿轮的薄弱环节，在低阶情况下，通过分析不同材料齿轮的振型图，可以发现齿轮的振型主要为扭转和弯曲振动，齿轮的阶数越高，振动的位移越大，齿轮振动越剧烈，噪音越大。表1是不同材料的齿轮在不同阶下的固有频率，并将数据绘制成曲线图，如图3所示。

表1不同材料齿轮的固有频率（单位：KHZ）

图3不同材料与固有频率之间的关系

 曲线图3表明：对同一种材料，振动阶数越大，其固有频率越大在阶数相同的情况下，材料的弹性模量越大，其固有频率越大；并且在2-3阶之间，频率增大非常明显。

 （2）腹板厚度不同

 下面来研究腹板厚度对于齿轮固有频率的影响：齿轮的材料为碳钢，通过改变齿轮腹板的厚度来改变齿轮结构，通过腹板厚度的不同来分析齿轮固有频率的变化规律。该模态分析中腹板厚度取值为D=4，8，12，16，20，由于振型图较多，下图4是选取齿轮腹板厚度D=4时的1、3、5阶振型图作为示意。

三阶振型图

五阶振型图

腹板厚度D=4的齿轮3、5阶振型图

通过改变腹板厚度来改变齿轮的结构，来查看不同的齿轮结构对于齿轮的固有频率的影响，在齿轮铸造时候，可以作为腹板厚度的参考依据，选择合理的厚度，可以一步减轻齿轮的振动，减少齿轮振动时候的噪音，为齿轮结构的优化提供理论依据。

表2不同腹板厚度齿轮的固有频率（单位：KHZ）

Tab.2Naturalfrequencyofdifferentwebthicknessgear

图5不同腹板厚度与固有频率之间的关系

 从曲线图5表明：在阶数相同的情况下，齿轮腹板的厚度越大，则齿轮的固有频率越大。随着阶数的增加，齿轮的固有频率会呈现递增的趋势；在腹板相同的情况下，阶数越高，则齿轮的固有频率越大。

 4、结论

 从上述曲线和图形表明：

 （1）齿轮的固有频率与齿轮的材料有关，在相同阶数的情况下，齿轮材料的弹性模量越大，则齿轮的固有频率越大；

 （2）齿轮的固有频率和齿轮的结构有关，在相同阶数的情况下，齿轮的固有频率随腹板厚度的增大而增大；

 （3）齿轮的低阶振型主要为扭转振动和弯曲振动，阶数越高，振动位移越大，从振型图可以看出齿轮的薄弱环节在齿根处和轮齿接触面上，从而可以对齿轮进行针对性优化。

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