刮板输送机齿轮传动系统的的动力学仿真该如何设计？其工作的原理到底是什么？

一、齿轮的参数化建模

参数化设计是利用参数修改的方法将零件模型中尺寸定量信息变量化，使建模中所需的关键尺寸变为可以进行任意调整的变量化参数。

标准齿轮作为一种常用件，其模数、压力角等参数已经标准化，齿顶圆、齿根圆、分度圆等结构参数可以通过以模数、齿数等为变量。

运用相应的公式计算得到，这就为在Creo中建立齿轮的参数化模型提供了基本条件。
标准齿轮为渐开线齿轮，渐开线曲线的绘制也可在Creo中通过曲线方程的功能实现，保证了建模的准确性。

Creo建模中常用的拉伸、旋转、镜像、阵列等特征为建模提供了基本思路。
首先创建拉伸、旋转等基础特征，然后添加孔、倒角、倒圆等工程特征，在创建基础特征过程中穿插创建基准特征。

为了提高建模效率，常采用复制、阵列、镜像等编辑特征。标准直齿圆柱齿轮是结构上最简单的齿轮，建立其参数化模型的方法如下：

（1）在“零件”模块—工具—参数对话框中输入齿轮参数，如齿轮的模数、齿数、压力角、齿顶高系数、齿根高系数、齿轮宽度等，如图1所示；

（2）在“零件”模块—工具—关系对话框中根据齿轮机构的计算公式建立各参数之间的关系表达式，如表1所示；
（3）绘制标准圆柱齿轮渐开线，其曲线方程如表1所示；

（4）通过镜像、拉伸、阵列等特征命令完成标准渐开线圆柱齿轮的参数化实体模型，如图2所示。

同理，可以在参考建立标准直齿圆柱齿轮参数化模型的基础上，建立标准直齿锥齿轮、圆柱内齿轮的参数化模型，如图3、图4所示。

当齿轮改变时，只需要在图1中修改齿数、模数、宽度等关键变量即可通过数据推动模型的建立，在很大程度上提高了建模的效率。

二、仿真模型的建立

对于多级齿轮传动系统，可以直接采用骨架模型代替轴承和箱体。骨架是整个组件的框架，是整
个模型基本设计思路的外在表现，在这里是指通过建立基准轴来确定轮系之间的相对位置关系。

在Creo的“装配”模块中，元件之间的联接是利用一组预先定义的约束集来实现的。在齿轮传动系统中，用的最多的联接类型是销联接。

在定义销联接时，可以通过轴对齐和平面重合/偏距2种约束实现完全约束，即使主体绕轴转动、限制其沿轴向平移。

仿真模型的装配可以从轴类元件开始。在骨架模型上采用销联接分别把小锥齿轮轴、锥-行星联接轴、行星架等轴类元件进行联接。

由于锥-行星联接轴已经进行了销联接约束，左边与大锥齿轮、右边与太阳轮的约束不能再使用销联接。

可以使用“用户定义”的约束类型来进行装配联接，这样可以实现3个元件共同运动。

行星架与第三级小直齿圆柱齿轮亦采用此类方法。其余齿轮元件均可使用销联接进行约
束装配。

为了实现齿轮传动系统的运动学仿真和动力学仿真，需要在“机构”模块中为装配模型定义齿轮副联接。

在刮板输送机的三级齿轮传动系统中，除行星轮与内齿轮为内啮合齿轮副，其余皆为外啮合齿轮副。最终建立的仿真模型如图5所示。

三、齿轮传动系统的动力学仿真

（一）运动学仿真
在小锥齿轮轴上定义伺服电动机，当电动机的转速为989r/min时，设置角速度为5934°/s，即可通过机构分析进行运动学仿真，通过“测量”对话框查看仿真结果，如图6所示。

经与理论值比较，传动比的误差较小，由此可以验证仿真模型建立的准确性。

（二）动力学仿真

动态分析是指在考虑重力、摩擦、力和扭矩等因素影响的条件下，研究机构运动的受力情况和力与力之间的关系。

在“机构”模块的“属性和条件”面板中，分别对初始条件、重力、质量属性等内容按工况进行设置。
在小锥齿轮轴上定义“执行电动机”，扭矩819.45Nm，函数类型为余弦，周期为0.5s；

在第三级大直齿圆柱齿轮上定义“力/扭矩”，扭矩为42032Nm，函数类型为余弦，周期为0.5s。
最后一级直齿圆柱齿轮转速降低，受力变大，所以对这3个齿轮的加速度进行测量，测量结果如图7所示。

四、结语

在中国制造2025和智能制造的时代背景下，基于CAD/CAE软件的数字化设计在现代设计方法中所起的作用日益突出。

本文基于参数化设计理念，在Creo软件中建立了三级齿轮传动系统的仿真模型，并对仿真模型进行了运动学仿真和动力学分析。

对复杂齿轮传动系统的参数化建模和动力学仿真研究进行了初步的探索，为后续的优化设计、有限元分析等研究工作打下了基础，同时也为其他齿轮传动系统的数字化设计与仿真研究提供了思路。