斜齿轮齿面剥落故障动力学建模与动态特征研究

斜齿轮存在移动载荷及空间结构复杂等因素,导致斜齿轮齿面剥落故障振动特征的提取非常困难。为了分析斜齿轮齿面剥落故障引起的振动响应特征,提出了基于切片法和势能法的斜齿轮齿面剥落故障啮合刚度的计算方法,考虑斜齿轮齿面剥落故障接触线长度的变化,分析了齿面剥落在长度和宽度两个方向扩展对时变啮合刚度的影响。同时,建立了6自由度斜齿轮系统动力学模型,获得了不同长度齿面剥落的动态响应特征及不同转速和负载对其的影响。研究结果表明,新的计算方法能够准确计算斜齿轮齿面剥落故障对啮合刚度、动态响应等特性的影响,可为齿轮系统状态监测提供依据。     

考虑不同剥落形状下的时变啮合刚度分析

考虑斜齿轮副端面重合度大于轴向重合度时的单齿啮合接触线表达式,针对行星轮系统中啮合齿轮中基圆大于齿根圆的情况,建立斜齿轮变截面悬臂梁模型,采用势能法、切片法和自适应递推复合Lobatto数值积分法求解斜齿轮时变啮合刚度,通过与有限元方法及经验法进行对比,验证所建模型的可行性.在此基础上,分析了不同长度、宽度、径向位置(齿根到齿顶)的剥落故障及不同剥落形状对时变啮合刚度的影响,研究结果表明:不同剥落长度对斜齿轮副在剥落区域的啮合位置影响较为明显;随着剥落宽度的增加,时变啮合刚度线性降低,不同径向位置剥落,在越靠近齿根的位置对时变啮合刚度影响越大;不同剥落形状下,三角形和圆形剥落引起时变啮合刚度非线性降低,四边形剥落使时变啮合刚度线性降低.     

点蚀与剥落对齿轮扭转啮合刚度影响的分析

为了模拟齿面点蚀和剥落对齿轮扭转啮合刚度的影响,提出了利用ANSYS软件对齿轮传动扭转啮合刚度有限元模型的建模和计算方法。根据扭转啮合刚度定义,分别建立了无齿面缺陷和有齿面缺陷的齿轮三维接触仿真分析模型。计算了两种运行状态下,不同接触位置上的扭转啮合刚度,并利用MATLAB比较了有点蚀剥落与无点蚀剥落齿轮的扭转啮合刚度的变化情况。模拟结果表明,点蚀和剥落的存在使齿轮的扭转啮合刚度减小,特别是在轮齿的单啮合区时,对扭转啮合刚度的影响剧烈。     

基于全齿廓的行星齿轮点蚀故障时变啮合刚度计算模型

当齿轮产生点蚀故障时,其时变啮合刚度变化导致的振动响应特征是实现点蚀故障诊断的重要依据,而准确的齿轮几何模型对于齿轮时变啮合刚度的计算精度具有重大意义.推导了内、外啮合齿轮的齿廓方程,提出了基于全齿廓的行星齿轮点蚀故障时变啮合刚度计算模型,有效解决了简化模型中需要齿数判断和精度较差的问题,提高了行星齿轮时变啮合刚度计算精度,为行星齿轮点蚀故障的动力学建模、故障机理分析及疲劳寿命分析奠定了理论基础.     

ANSYS精确建模的含齿形误差齿轮接触特性研究

应用有限元法考察了齿形误差对齿轮最大接触应力和啮合刚度的影响。基于齿廓方程在ANSYS中精确建立了理想齿廓齿轮有限元模型;基于移动节点的方法,建立了误差齿廓齿轮有限元模型。通过计算啮合周期内多个啮合位置有限元模型,得到了理想齿廓齿轮和误差齿廓齿轮最大接触应力的分布状态,分析了齿形误差对最大接触应力的影响程度;得到了理想齿廓齿轮和误差齿廓齿轮啮合刚度的分布规律,证明了齿形误差降低了齿轮的啮合刚度。     

结合有限元法和接触理论的内齿轮副啮合刚度计算方法

提出了一种将有限元方法和接触理论相结合的内啮合齿轮副啮合刚度计算方法。该方法通过齿轮整体和局部有限元模型分离出啮合点宏观变形,利用线接触变形解析公式计算啮合点接触变形,求解非线性啮合平衡方程后得到齿轮副时变啮合刚度和载荷分布。该方法相比一般有限元法具有更高的计算效率和稳定性,同时克服了解析方法难以考虑斜齿轮和不同齿圈结构影响的缺点。最后,分析了内齿圈不同支撑数目和齿圈厚度对啮合刚度的影响。该方法可为内齿轮副强度及动态特性设计提供有效指导。     

斜齿圆柱齿轮传动的静态啮合刚度和动态啮合刚度

本文根据齿轮啮合原理，推导出斜齿圆柱齿轮啮合瞬时接触线长度的计算方法。根据斜齿轮啮合的轮齿弯曲变形影响函数和接触变形影响函数［１］、［２］、［３］，计算了斜齿圆柱齿轮的轮齿变形和单对齿刚度；并导出斜齿轮的静态啮合刚度和动态啮合刚度的计算式。最后通过实例计算分析了齿轮误差和参数对啮合刚度的影响。     

斜齿轮啮合传动内部激励研究

齿轮啮合传动的内部激励是引起齿轮振动和噪声的关键因素,以某8挡自动变速器中一对常啮合斜齿轮为研究对象,对其啮合传动过程的内部激励开展全面深入研究,包括齿面接触状态、时变啮合刚度、误差激励和啮合冲击。采用有限元法分析斜齿轮的静态和动态接触过程,得到齿面接触应力的大小及分布;采用接触线长度变化表示时变啮合刚度的理论方法和采用有限元仿真的方法得到斜齿轮传动的时变啮合刚度曲线;采用理论计算和有限元法分析斜齿轮误差激励,包含啮合误差、静态传递误差和动态传递误差;采用有限元法分析啮合冲击,得到齿轮传动过程的齿根应力;采用有限元法计算齿面接触线上应力分布。研究为斜齿轮传动状态的改善提供了基础。     

面齿轮传动系统点蚀故障动态响应分析

为揭示面齿轮传动系统在齿面点蚀条件下的动态特性，提出了基于面齿轮理论齿面的点蚀齿面表达方法，建立点蚀面齿轮有限元模型，采用有限元法计算面齿轮副啮合刚度，研究了点蚀面积对啮合刚度的影响规律。建立面齿轮传动系统动力学模型，从时域、频域及时频域角度分析了不同点蚀面积下传动系统的动态响应。结果表明：齿轮副啮合刚度随点蚀面积增大而减小，当多个轮齿出现点蚀，啮合刚度降低速率增大；圆柱齿轮加速度响应有明显的周期性冲击现象，故障振动信号的频谱中出现了以啮合频率为中心的调制边频带，通过时频谱推导出含点蚀轮齿的位置范围，信号的脉冲因子及裕度因子的增长速率较大，对点蚀故障敏感；研究结果为含早期微小点蚀面齿轮传动系统的故障诊断提供理论依据。     

内啮合斜齿轮高精度三维有限元自动建模方法

为提高内啮合斜齿轮有限元接触分析的建模速度和模型精度,提出了一种齿轮高精度三维有限元模型的自动建模方法。基于齿轮插刀齿廓方程,利用齿廓法线法,得到包括齿根过渡曲线的内、外斜齿轮端面齿廓,建立了内、外齿轮参数化粗网格有限元模型。开发了表层六面体网格剖分方法,自动识别齿面接触带单元,进行分级剖分细化,保证了有限元模型的建模精度和网格密度。进行了齿面接触分析,得到了内啮合斜齿轮的弯曲应力、接触应力、接触印痕、传动误差、时变啮合刚度和载荷分配率。粗细网格有限元模型计算结果对比分析表明,该方法提高了内啮合斜齿轮有限元建模效率和计算精度,缩短了计算时间,为快速准确的齿轮接触分析奠定了基础。