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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:李俊杰
研究生(外文):Chun-Chieh Li
論文名稱:自強號車體與齒輪箱振動分析與量測
論文名稱(外文):The Analysis and Measurement of the Carbody and Gearbox of a TRA Train
指導教授:許榮均許榮均引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣海洋大學
系所名稱:系統工程暨造船學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:132
中文關鍵詞:齒輪箱有限元素分析模態分析頻率響應分析線性靜態分析
外文關鍵詞:gearboxfinite element analysismodal analysisfrequency response analysislinear static analysis
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摘要
本文內容分別對自強號客車車廂振動及其齒輪箱龜裂問題,進行有限元素軟體分析以及模態測試。車廂振動問題與齒輪箱龜裂問題為兩個獨立的研究主題,但其所使用之探討方法相同。
在車廂振動方面,以有限元素分析軟體MSC.Patran&Nastran進行模態分析,可求得車廂之自然振動頻率及其相對應之模態,並且對實車作振動量測,獲得車廂地板與側牆的振動頻譜資料。由實測所得之頻譜資料及相位圖,可得其振態並與軟體模擬之結果,分別比對地板與側牆的振動模態,此為建立研究車體振動之初步模式。
在齒輪箱龜裂模擬分析方面,先單獨對齒輪箱進行模擬分析,其邊界條件分別設定為自由-自由,以求出齒輪箱之自然振頻與模態;接著再將邊界條件定為在自由-自由之情況下,求出在齒輪箱與馬達連結時之自然振頻與模態,最後在齒輪箱前端施以一單位激振力,以求出易龜裂處之頻率響應函數,並與自強號齒輪箱實測之應力、應變比對後,其峰值頻率之趨勢吻合。
最後,為有效改善齒輪箱龜裂問題,對齒輪箱的構型加以修改與增加加強材,進行一系列頻率響應模擬;分析結果顯示,在齒輪箱內部前後各加入兩塊板之加強材時,可有效改善其龜裂問題。

關鍵詞:齒輪箱、有限元素分析、模態分析、頻率響應分析、線性靜態分析
Abstract
In this thesis, the finite element analysis and modal testing are used to investigate the vibration of a TRA passenger train and the crack problem of gearbox in locomotives. These two problems are independent while the approach methodologies are the same.
In the aspect of train vibration, modal analysis has been done by the software MSC.Patran and Nastran to obtain the natural frequencies and mode shapes of the carriage. Also, experimental measurement of the train vibration has been carried out to obtain the modes by using phase data. By comparing with the modes of the floor and sidewall of carriage using simulation and measurement, thus set up a preliminary approach for analyzing the car body vibration.
In the aspect of gearbox crack simulation, the natural frequencies and mode shapes are analyzed with free-free boundary condition, when carried out to simulation of gearbox alone. Then, the natural frequencies and mode shapes are analyzed when motor is linked with the gearbox. Also, a unit harmonic force is applied at the front end of the gearbox to obtain the frequency response of the crack zone to compare with stress and strain of measurement of gearbox for TRA. The simulation and measurement showed similar trend.
Finally, in order to effectively improve the crack problem of the gearbox, the configuration of gearbox was modified. After a series of frequency response analysis simulation for different configuration, the results demonstrate that increase in stiffeners in the gearbox can improve the structural strength against crack.

Keyword: gearbox, finite element analysis, modal analysis, frequency response analysis, linear static analysis
目 錄
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與背景 1
1.2 研究方法與流程 1
1.3 文獻回顧 4
1.4 軟體簡介 4
第二章 應用理論簡介 6
2.1 模態分析法簡介 6
2.2 頻率響應分析簡介 11
第三章 車廂之軟體模擬分析與實驗 14
3.1 車廂FEM分析 14
3.1.1車廂有限元素模型之建立 14
3.1.2 車廂模態分析 17
3.2 正線實車測試 19
3.3 結果討論 27
第四章 齒輪箱與馬達之軟體模擬分析與實驗 29
4.1 齒輪箱FEM分析 29
4.1.1 齒輪箱有限元素模型之建立 29
4.1.2 齒輪箱自然頻率與模態分析 31
4.2 齒輪箱與馬達連接之FEM分析 55
4.2.1 齒輪箱與馬達連接之有限元素模型之建立 55
4.2.2 齒輪箱與馬達連接之自然頻率與模態分析 56
4.2.3 齒輪箱與馬達連接之靜態應變模擬分析 68
4.3 頻率響應分析 70
4.3.1齒輪箱與馬達連接之有限元素模型之頻率響應分析 70
4.3.2 預估齒輪箱龜裂處之應變量頻率響應分析 72
4.3.3 預估齒輪箱龜裂處之應力頻率響應分析 73
4.4 馬達上下吊耳之頻率響應分析 74
4.4.1 預估馬達上吊耳龜裂處之頻率響應分析 75
4.4.2 預估馬達下吊耳龜裂處之頻率響應分析 76
4.5應變規 77
4.5.1 應變規簡介 77
4.5.2 應變規之黏貼 79
4.6 空轉測試 81
4.7 正線測試 84
第五章 齒輪箱龜裂問題改善方法之探討 96
5.1 模型修改 98
5.2 齒輪箱內部加入加強材 109
5.3 結果討論 127
第六章 結論與未來研究方向 128
6.1 結論 128
6.2 未來研究方向 129
參考文獻 130

表目錄
表3.1材料參數 13
表3.2頻率與相位對照表 27
表4.1材料參數 31
表4.2齒輪箱之前十階結構自然頻率 32
表4.3材料參數 43
表4.4模擬馬達與齒輪箱連接之前十階結構自然頻率 44
表4.5材料參數 57
表4.6齒輪箱與馬達連接之前十階結構自然頻率 57
表4.7材料參數 68

表5.1 齒輪箱修改方式 96
表5.2 靜態受重力作用下吊耳易龜裂處之應力與應變 97

圖目錄
圖1.1 研究流程圖(車廂) 3
圖1.2 研究流程圖(齒輪箱) 3
圖1.3 Patran軟體介面 5
圖3.1 自強號列車General Arrangement圖 14
圖3.2 自強號列車Outside Fittings&Letterings圖 15
圖3.3 自強號列車Roof Structure圖 15
圖3.4 車廂有限元素模型 16
圖3.5 車廂網格生成圖 16
圖3.6 頻率3.7648 Hz之振動模態圖(一) 18
圖3.7 頻率3.7648 Hz之振動模態圖(二) 18
圖3.8 頻率3.7648 Hz之振動模態圖(三) 19
圖3.9 地板加速規佈置圖 21
圖3.10側牆加速規佈置圖 21
圖3.11量測儀器佈置圖 22
圖3.12地板5m處加速規頻譜圖 22
圖3.13地板7.5m處加速規頻譜圖 23
圖3.14地板10m處加速規頻譜圖 23
圖3.15側牆5m處加速規頻譜圖 24
圖3.16側牆7.5m處加速規頻譜圖 24
圖3.17側牆10m處加速規頻譜圖 25
圖3.18地板5m/地板7.5m之加速規phase圖 25
圖3.19地板5m/地板10m之加速規phase圖 26
圖3.20側牆5m/側牆7.5m之加速規phase圖 26
圖3.21側牆5m/側牆10m之加速規phase圖 27
圖4.1 轉向架實體圖 29
圖4.2 齒輪箱龜裂處實體圖 30
圖4.3 齒輪箱有限元素模型 30
圖4.4 Quard4元素示意圖 32
圖4.5 齒輪箱第一階模態(一) 33
圖4.6 齒輪箱第一階模態(二) 33
圖4.7 齒輪箱第二階模態(一) 34
圖4.8 齒輪箱第二階模態(二) 34
圖4.9 齒輪箱第三階模態(一) 35
圖4.10 齒輪箱第三階模態(二) 35
圖4.11 齒輪箱第四階模態(一) 36
圖4.12齒輪箱第四階模態(二) 36
圖4.13齒輪箱第五階模態(一) 37
圖4.14齒輪箱第五階模態(二) 37
圖4.15齒輪箱第六階模態(一) 38
圖4.16齒輪箱第六階模態(二) 38
圖4.17齒輪箱第七階模態(一) 39
圖4.18齒輪箱第七階模態(二) 39
圖4.19齒輪箱第八階模態(一) 40
圖4.20齒輪箱第八階模態(二) 40
圖4.21齒輪箱第九階模態(一) 41
圖4.22齒輪箱第九階模態(二) 41
圖4.23齒輪箱第十階模態(一) 42
圖4.24齒輪箱第十階模態(二) 42
圖4.25齒輪箱邊界條件給定示意圖 44
圖4.26模擬馬達與齒輪箱連接之第一階模態(一) 45
圖4.27擬馬達與齒輪箱連接之第一階模態(二) 45
圖4.28模擬馬達與齒輪箱連接之第二階模態(一) 46
圖4.29模擬馬達與齒輪箱連接之第二階模態(二) 46
圖4.30模擬馬達與齒輪箱連接之第三階模態(一) 47
圖4.31模擬馬達與齒輪箱連接之第三階模態(二) 47
圖4.32模擬馬達與齒輪箱連接之第四階模態(一) 48
圖4.33模擬馬達與齒輪箱連接之第四階模態(二) 48
圖4.34模擬馬達與齒輪箱連接之第五階模態(一) 49
圖4.35模擬馬達與齒輪箱連接之第五階模態(二) 49
圖4.36模擬馬達與齒輪箱連接之第六階模態(一) 50
圖4.37模擬馬達與齒輪箱連接之第六階模態(二) 50
圖4.38模擬馬達與齒輪箱連接之第七階模態(一) 51
圖4.39模擬馬達與齒輪箱連接之第七階模態(二) 51
圖4.40模擬馬達與齒輪箱連接之第八階模態(一) 52
圖4.41模擬馬達與齒輪箱連接之第八階模態(二) 52
圖4.42模擬馬達與齒輪箱連接之第九階模態(一) 53
圖4.43模擬馬達與齒輪箱連接之第九階模態(二) 53
圖4.44模擬馬達與齒輪箱連接之第十階模態(一) 54
圖4.45模擬馬達與齒輪箱連接之第十階模態(二) 54
圖4.46齒輪箱與馬達連接之有限元素模型 55
圖4.47齒輪箱與馬達連接之網格生成圖 56
圖4.48馬達與齒輪箱連結之第一階模態(一) 58
圖4.49馬達與齒輪箱連結之第一階模態(二) 58
圖4.50馬達與齒輪箱連結之第二階模態(一) 59
圖4.51馬達與齒輪箱連結之第二階模態(二) 59
圖4.52馬達與齒輪箱連結之第三階模態(一) 60
圖4.53馬達與齒輪箱連結之第三階模態(二) 60
圖4.54馬達與齒輪箱連結之第四階模態(一) 61
圖4.55馬達與齒輪箱連結之第四階模態(二) 61
圖4.56馬達與齒輪箱連結之第五階模態(一) 62
圖4.57馬達與齒輪箱連結之第五階模態(二) 62
圖4.58馬達與齒輪箱連結之第六階模態(一) 63
圖4.59馬達與齒輪箱連結之第六階模態(二) 63
圖4.60馬達與齒輪箱連結之第七階模態(一) 64
圖4.61馬達與齒輪箱連結之第七階模態(二) 64
圖4.62馬達與齒輪箱連結之第八階模態(一) 65
圖4.63馬達與齒輪箱連結之第八階模態(二) 65
圖4.64馬達與齒輪箱連結之第九階模態(一) 66
圖4.65馬達與齒輪箱連結之第九階模態(二) 66
圖4.66馬達與齒輪箱連結之第十階模態(一) 67
圖4.67馬達與齒輪箱連結之第十階模態(二) 67
圖4.68邊界條件給定示意圖 69
圖4.69 Static Strain分布圖 69
圖4.70齒輪箱上蓋 70
圖4.71齒輪箱上蓋龜裂處 71
圖4.72施單位力之有限元素模型 71
圖4.73齒輪箱龜裂處應變量頻率響應頻譜圖 72
圖4.74齒輪箱龜裂處應力頻率響應頻譜圖 73
圖4.75馬達上吊耳易龜裂處 74
圖4.76馬達下吊耳易龜裂處 74
圖4.77 馬達上吊耳龜裂處應變量頻率響應頻譜圖 75
圖4.78 馬達上吊耳龜裂處應力頻率響應頻譜圖 75
圖4.79 馬達下吊耳龜裂處應變量頻率響應頻譜圖 76
圖4.80 馬達下吊耳龜裂處應力頻率響應頻譜圖 76
圖4.81三軸應變規示意圖 78
圖4.82黏貼面之磨平拋光 80
圖4.83應變規黏貼完成示意圖 80
圖4.84實驗儀器佈置連線圖 82
圖4.85空轉測試之馬達示意圖 82
圖4.86可調式電壓之外接電源箱示意圖 83
圖4.87穩定電壓輸出時量測頻譜圖 83
圖4.88瞬間降壓時量測頻譜圖 84
圖4.89量測儀器佈置圖 86
圖4.90齒輪箱上佈點位置 87
圖4.91馬達上方佈點位置 87
圖4.92馬達下方佈點位置 88
圖4.93三軸加速規佈點位置 88
圖4.94應變規軸一:紅線 90
圖4.95應變規軸二:白線 90
圖4.96應變規軸三:綠線 91
圖4.97εmax 91
圖4.98εmin 92
圖4.99γmax 92
圖4.100齒輪箱-X軸 93
圖4.101齒輪箱- Y軸 93
圖4.102齒輪箱- Z軸 94
圖4.103馬達-X軸 94
圖4.104馬達-Y軸 95
圖4.105馬達-Z軸 95
圖5.1 case1修改示意圖 98
圖5.2 case1: 修改後之FEM模型 99
圖5.3 case1: 施單位力之FEM模型 99
圖5.4 未修改模型與case1之比較 100
圖5.5 case1 : 龜裂處之應變量之頻率響應頻譜圖 100
圖5.6 case1 : 龜裂處之應力之頻率響應頻譜圖 101
圖5.7 case1 : 馬達上吊耳龜裂處之應變頻率響應頻譜圖 101
圖5.8 case1 : 馬達上吊耳龜裂處之應力頻率響應頻譜圖 102
圖5.9 case1 : 馬達下吊耳龜裂處之應變頻率響應頻譜圖 102
圖5.10 case1 : 馬達下吊耳龜裂處之應力頻率響應頻譜圖 103
圖5.11 鋼板修改示意圖 104
圖5.12 case2: 修改後之FEM模型 104
圖5.13 case2: 施單位力之FEM模型 105
圖5.14未修改模型與case2之比較 105
圖5.15 case2 : 龜裂處之應變量之頻率響應頻譜圖 106
圖5.16 case2 : 龜裂處之應力之頻率響應頻譜圖 106
圖5.17 case2 : 馬達上吊耳龜裂處之應變頻率響應頻譜圖 107
圖5.18 case2 : 馬達上吊耳龜裂處之應力頻率響應頻譜圖 107
圖5.19 case2 : 馬達下吊耳龜裂處之應變頻率響應頻譜圖 108
圖5.20 case2 : 馬達下吊耳龜裂處之應力頻率響應頻譜圖 108
圖5.21 case3: 加裝加強材之FEM模型 109
圖5.22 case3: 施單位力之FEM模型 110
圖5.23未修改模型與case3之比較 110
圖5.24 case3 : 龜裂處之應變量之頻率響應頻譜圖 111
圖5.25 case3 : 龜裂處之應力之頻率響應頻譜圖 111
圖5.26 case3 : 馬達上吊耳龜裂處之應變頻率響應頻譜圖 112
圖5.27 case3 : 馬達上吊耳龜裂處之應力頻率響應頻譜圖 112
圖5.28 case3 : 馬達下吊耳龜裂處之應變頻率響應頻譜圖 113
圖5.29 case3 : 馬達下吊耳龜裂處之應力頻率響應頻譜圖 113
圖5.30 case4: 加裝加強材之FEM模型 114
圖5.31未修改模型與case4之比較 115
圖5.32 case4 : 龜裂處之應變量之頻率響應頻譜圖 115
圖5.33 case4 : 龜裂處之應力之頻率響應頻譜圖 116
圖5.34 case4 : 馬達上吊耳龜裂處之應變頻率響應頻譜圖 116
圖5.35 case4 : 馬達上吊耳龜裂處之應力頻率響應頻譜圖 117
圖5.36 case4 : 馬達下吊耳龜裂處之應變頻率響應頻譜圖 117
圖5.37 case4 : 馬達下吊耳龜裂處之應力頻率響應頻譜圖 118
圖5.38 case5: 加裝加強材之FEM模型 119
圖5.39未修改模型與case5之比較 119
圖5.40 case5 : 龜裂處之應變量之頻率響應頻譜圖 120
圖5.41 case5 : 龜裂處之應力之頻率響應頻譜圖 120
圖5.42 case5 : 馬達上吊耳龜裂處之應變頻率響應頻譜圖 121
圖5.43 case5 : 馬達上吊耳龜裂處之應力頻率響應頻譜圖 121
圖5.44 case5 : 馬達下吊耳龜裂處之應變頻率響應頻譜圖 122
圖5.45 case5 : 馬達下吊耳龜裂處之應力頻率響應頻譜圖 122
圖5.46 case6: 加裝加強材之FEM模型 123
圖5.47未修改模型與case6之比較 124
圖5.48 case6 : 龜裂處之應變量之頻率響應頻譜圖 124
圖5.49 case6 : 龜裂處之應力之頻率響應頻譜圖 125
圖5.50 case6 : 馬達上吊耳龜裂處之應變頻率響應頻譜圖 125
圖5.51 case6 : 馬達上吊耳龜裂處之應力頻率響應頻譜圖 126
圖5.52 case6 : 馬達下吊耳龜裂處之應變頻率響應頻譜圖 126
圖5.53 case6 : 馬達下吊耳龜裂處之應力頻率響應頻譜圖 127
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