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傳動部件與發(fā)動機(jī)、旋翼共同構(gòu)成了無人直升機(jī)的一個(gè)完整的機(jī)械運(yùn)動系統(tǒng)，其中傳動系統(tǒng)將發(fā)動機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速按照一定比例傳遞至旋翼。一般傳動系統(tǒng)均為單路承載方式，且傳動過程中的載荷情況較復(fù)雜，一旦發(fā)生故障將是災(zāi)難性的，尤其是對于軍用無人機(jī)，這就要求傳動系統(tǒng)必須具有很高的可靠性。齒輪傳動通過輪齒嚙合接觸傳遞載荷，因其結(jié)構(gòu)緊湊，傳動效率高，承載力大，傳動平穩(wěn)等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于無人直升機(jī)的傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，掌握和了解嚙合過程中齒輪上的應(yīng)力分布規(guī)律，對齒輪設(shè)計(jì)和齒輪副安全工作具有重要意義。由于齒輪的承載情況較為復(fù)雜，且嚙合過程中難以用測量手段獲取相關(guān)信息，工程上傳統(tǒng)的齒輪傳動校核方法均是通過大量的理論假設(shè)、簡化公式來進(jìn)行估算，無法得到全面、準(zhǔn)確的結(jié)果。
本文采用有限元分析方法，對某型無人直升機(jī)的主傳動齒輪嚙合過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了齒輪副上從嚙合到分開的瞬態(tài)應(yīng)力變化全過程，并根據(jù)該齒輪副的工作載荷級數(shù)對其疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)計(jì)，為該齒輪傳動的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考和依據(jù)。
某型無人直升機(jī)主傳動是由一對正交的弧齒錐齒組成，如圖1中所示，其中小齒輪為主動齒輪，大齒輪為從動齒輪。在CATIA中建立三維模型，利用HYPERMESH前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，基于ANSYS有限元分析軟件，采用接觸單元模擬齒輪嚙合，建立齒輪副的有限元計(jì)算模型。考慮到齒輪的接觸是循環(huán)的，可以簡化計(jì)算模型從而減少計(jì)算的工作量和時(shí)間，故建出了大齒輪的6個(gè)齒，小齒輪只選取了前端接觸區(qū)域部分，后端軸部分則略去不予考慮。選擇SOLID95實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型總單元數(shù)為95296，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為140179，建立的有限元計(jì)算模型如圖中所示，圖所示為建立的接觸對。載荷及約束的施加采用剛體運(yùn)動控制法，模擬齒輪副轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的傳遞。對于主動輪，定義一個(gè)速度控制剛體，施加繞主軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，將主齒輪定義為變形體，這樣速度控制剛體可以控制主動齒輪的運(yùn)動。對于從動齒輪，定義一個(gè)載荷控制剛體，定義剛體控制節(jié)點(diǎn)和輔助節(jié)點(diǎn)，將實(shí)際的轉(zhuǎn)矩以點(diǎn)載荷的形式施加到輔助節(jié)點(diǎn)上，相當(dāng)于在載荷控制剛體上施加了一個(gè)繞從動輪軸線的轉(zhuǎn)矩。定義從動齒輪為變形體，轉(zhuǎn)矩即施加到了從動齒輪上。主傳動副的大、小兩個(gè)齒輪的材料均為20CrMnMo材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能參數(shù)如表所示。
齒輪嚙合是一個(gè)循環(huán)的過程，本文計(jì)算了一個(gè)循環(huán)中(即從嚙合狀態(tài)到分離狀態(tài))齒輪上的應(yīng)力變化情況見表，所示為變化的曲線示意圖。一個(gè)嚙合過程中齒輪副上最大等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，可以看出，最小應(yīng)力出現(xiàn)在兩個(gè)齒輪剛開始嚙合時(shí)，而最大應(yīng)力狀態(tài)出現(xiàn)在兩個(gè)齒輪快要分離時(shí)，圖中所示分別為最小應(yīng)力狀態(tài)和最大應(yīng)力狀態(tài)時(shí)齒輪副上的應(yīng)力分布情況。齒輪副在一個(gè)嚙合循環(huán)過程中的最大等效應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度，其靜強(qiáng)度是安全的。
發(fā)動機(jī)輸出功率視為總功率，主傳動齒輪副承受的載荷情況按照其工作功率所占總功率的百分比劃分為4級，分別如表中所示。 根據(jù)上述的工作載荷級數(shù)、齒輪轉(zhuǎn)數(shù)以及靜強(qiáng)度計(jì)算得到的不同工作載荷下齒輪上的應(yīng)力幅值，采用材料的S-N曲線確定每一級載荷對應(yīng)的可用循環(huán)，應(yīng)用Miner損傷累計(jì)法則，計(jì)算得到各級載荷造成的損傷，對所有損傷求和，最終得到齒輪的疲勞壽命估計(jì)值，約為4400 h。
采用有限元分析的方法，利用HYPERMESH前處理和ANSYS分析軟件，應(yīng)用接觸對模擬齒輪擬合面的傳動過程，計(jì)算了某無人直升機(jī)主傳動齒輪嚙合強(qiáng)度，得到了在嚙合過程中應(yīng)力變化過程和靜強(qiáng)度安全系數(shù)，確定了危險(xiǎn)部位及其發(fā)生時(shí)間，并根據(jù)該齒輪副的工作載荷級數(shù)對其疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)計(jì)。有限元分析的結(jié)果與實(shí)際情況較符合，表明該方法用于無人直升機(jī)的齒輪傳動校核、設(shè)計(jì)是可行的和有效的，也可以為其它齒輪嚙合強(qiáng)度分析借鑒。
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