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COMSOL Multiphysics ® 5.2a版針對多體動力學模組的用戶引入了對齒輪建模的功能,此項功能對動力傳輸和汽車模擬非常有用。為便於建立模型,零件庫中添加了各種齒輪零件,許多新增的教學模型對此項用戶驅動功能的應用潛力進行了演示。請閱讀下文來了解多體動力學模組的完整更新。

齒輪建模

多體動力學介面中添加了齒輪建模功能,您可以對用於動力傳輸的齒輪傳動系統進行建模。此功能提供了適用於多種齒輪和齒條類型的節點,包括:直齒輪、斜齒輪、錐齒輪、蝸輪、直齒條斜齒條。要將一個齒輪連接到其他齒輪,只需將以下節點添加到模型建立器的模型樹中:齒輪副、蜗杆蝸輪副齒輪齒條副

使用多體動力學接口中的新增齒輪功能建模的複合輪系。

使用多體動力學介面中的新增齒輪功能建模的複合輪系。

模型建立器中,齒輪被定義為剛體。而且,也可以在將齒輪連接到其他齒輪時為齒輪嚙合指定有限剛度。在模型建立器中,齒輪彈性節點可以作為子節點添加到齒輪副節點,定義齒輪嚙合的彈性屬性,如嚙合剛度、嚙合阻尼和接觸比。

齒輪副可以假定為沒有任何靜態傳動誤差或齒隙的理想齒輪。存在靜態傳動誤差(可能由幾何誤差和幾何修改引起)時,傳動誤差子節點可以添加到齒輪副節點中。此類案例包括齒輪跳動、齒輪不同心或發生齒尖和齒根卸荷。同樣,如果存在影響系統動力學的齒隙,則齒隙子節點也可以添加到齒輪副節點中。

此外,摩擦子節點也可以添加到齒輪副節點,在接觸點上考慮摩擦力。僅當接觸點存在明顯滑移時,摩擦力才產生影響。滑移可能由中心距離的改變引起,也可能是由於兩個齒輪的軸既不平行也不相交。蜗杆蝸輪副便是這種工作方式的一個案例,即使在理想狀態下仍存在固有滑移。

顯示齒輪建模的應用資料庫路徑案例如下:Multibody_Dynamics_Module/Automotive_and_Aerospace/differential_gear Multibody_Dynamics_Module/Tutorials/gear_train 
Multibody_Dynamics_Module/Tutorials/helical_gear_pair Multibody_Dynamics_Module/Verification_Examples/bevel_gear_pair

 

元件資料庫中的齒輪

元件資料庫中添加了許多參數化齒輪幾何,可以使用這些零件來創建不同類型齒輪的三維和二維模型。可以修改零件的輸入參數,定制齒輪齒和齒輪毛坯形狀。這些零件可用於構建齒輪齒、單極齒輪、齒輪副或平行/行星輪系。

可用的齒輪零件可分為三類:

1.    外部齒輪

a.     直齒輪

b.    斜齒輪

c.     錐齒輪

d.    蝸輪

2.    內部齒輪

a.     直齒輪

b.    斜齒輪

3.    直齒輪

a.     直齒條

b.    斜齒條

零件庫中還提供其他一些單獨的零件,用於為所有類型的齒輪創建齒橫截面。

使用“多體動力學模塊”的“零件庫”中提供的齒輪零件創建的斜齒輪幾何。

使用多體動力學模組零件庫中提供的齒輪零件創建的斜齒輪幾何。

 

新教學模型:差動輪系機構

此模型模擬汽車及其他輪式車輛中使用的差動輪系機構。差動齒輪允許在轉動時,外驅動輪比內驅動輪旋轉得更快。在車輛轉彎時這一點非常重要,可以使沿轉彎曲線外部行駛的車輪轉動更快,並且比轉彎曲線內部的車輪行駛的距離更遠。兩個驅動輪的平均轉速即為傳動軸的輸入轉速。一個車輪速度的提高可透過降低另一個車輪速度來達到平衡。

在車輛沿直線或彎曲路線行駛的情況下,我們執行暫態分析來計算星形齒輪的運動。分別針對這兩種情況來計算不同組件的速度大小以及內外側車輪的角速度。

演示差動輪系機構的教學模型的應用資料庫路徑為:

Multibody_Dynamics_Module/Automotive_and_Aerospace/differential_gear

允許車輛的兩個軸以不同速度轉動的差動輪系機構。 顯示了旋轉的​​速度大小和方向。

允許車輛的兩個軸以不同速度轉動的差動輪系機構。顯示了旋轉的​​速度大小和方向。

 

新教學模型:複合輪系中的振動

此模型模擬複合輪系中的振動。用於對輪系建模的直齒輪安裝在剛性軸上,軸的兩端由彈性外殼支撐。假定齒輪嚙合發生變剛度的彈性變形,這是持續振動的根源。執行暫態分析來計算齒輪的動力學及外殼的振動。

使用了接觸建模來計算齒輪嚙合剛度。執行參數化分析將齒輪嚙合剛度作為一個嚙合週期中齒輪轉動的函數進行計算。

模型計算了齒輪副中的von Mises 應力分佈,其中,接觸點和齒根處的應力較高。還計算了齒輪嚙合剛度、齒輪中的位移以及外殼中由振動引起的法向加速度。

教學模型的應用資料庫路徑為:

Multibody_Dynamics_Module/Tutorials/gear_train

由彈性齒輪嚙合引發的振動所產生的外殼中的法向加速度。 還顯示了齒輪位移的灰度圖。

由彈性齒輪嚙合引發的振動所產生的外殼中的法向加速度。還顯示了齒輪位移的灰階圖。

 

新教學模型:斜齒輪動力學

此教學模型演示了斜齒輪動力學。本例考慮的是假定齒輪嚙合為剛性或彈性的情況。執行暫態研究來分析恆定齒輪嚙合剛度、變齒輪嚙合剛度、接觸力傳動誤差以及齒輪角速度的效應。執行特徵頻率分析來計算齒輪副的剛性和彈性齒輪嚙合的固有頻率和振型。

教學模型的應用資料庫路徑為:

Multibody_Dynamics_Module/Tutorials/helical_gear_pair

 

新教學模型:錐齒輪的力​​和力矩

此教學模型模擬直錐齒輪副。齒輪作為剛性建模,其中一個齒輪被固定,而另一個齒輪則鉸接在剛性桿上。剛性桿也鉸接在固定齒輪的軸線的某個點上。執行暫態分析來計算固定齒輪中心的力和力矩,將分析結果與國際期刊參考文獻中的結果進行比較。

教學模型的應用資料庫路徑為:

Multibody_Dynamics_Module/Verification_Examples/bevel_gear_pair

指定剛性桿的漸進旋轉時錐齒輪的運動情況。

指定剛性桿的漸進旋轉時錐齒輪的運動情況。