降低斜齿轮噪声的对角修形优化设计

为了减小振动与噪音,提出以承载传动误差幅值、啮入冲击力与啮合线向加速度均方根最小的斜齿轮对角修形多目标优化设计方法：通过设计对角修形曲线,计算齿面网格节点修形量,经过3次B样条拟合为对角修形曲面并与理论齿面叠加构造了修形齿面,通过TCA、LTCA得到轮齿的承载变形,计算轮齿啮合刚度,并根据啮合冲击理论计算啮合力,建立斜齿轮振动模型,采用遗传算法确定了最佳修形齿面。通过算例表明：对角修形斜齿轮的啮入啮出位置发生了变化,啮入啮出端基本不承担载荷,承载后可以保持较高的重合度,因此在斜齿轮减振降噪中更为显著。     

曲线齿线圆柱齿轮啮合数学模型

参照圆弧齿线圆柱齿轮齿面方程的推导方法以及齿面组成特点,介绍了一类曲线齿线圆柱齿轮的齿面组成特点.采用齿轮啮合原理中的单参数曲面包络方法,运用坐标变换推导了曲线齿线圆柱齿轮的数学方程和共轭齿面方程的一般形式.以圆弧齿线圆柱齿轮的齿面方程推导为例,推导了圆弧齿线圆柱齿轮的空间啮合数学模型,并采用UG建模软件建立了圆弧齿线圆柱齿轮的3D模型,验证了该方法的正确性.研究结果为进一步开展新型齿线的设计、新型曲线齿线圆柱齿轮传动研究提供了理论基础.     

波动转矩下渐开线直齿轮传动齿廓修形研究

分析了齿轮转速波动和齿面、齿背啮合相位差对啮合点的影响,结合单、双齿啮合和修形边界条件并采用解析法计算啮合刚度,建立了与齿轮实际运动状态和啮合状态相关的非线性啮合刚度模型,该模型可与齿轮非线性动力学方程实时反馈,更加准确地描述齿轮传动过程中的啮合刚度。建立了考虑间隙、非线性啮合刚度的2自由度单级齿轮传动非线性动力学模型,在波动转矩的作用下,对比研究齿廓修形参数对齿轮动态特性的影响。研究结果表明:修形量对齿轮动态特性影响显著,存在最优修形量使动载系数达到最小;当修形量超过某临界值齿轮产生单边或双边冲击现象,齿轮动载荷明显增加;外载荷一定,增加修形长度可降低动载系数最小值;波动转矩作用下,齿轮的最大修形量为最小转矩作用下单齿啮合最高点的变形量。     

基于最小动态传动误差波动量的斜齿行星轮系齿轮修形研究

为抑制系统的振动和噪声,以动态传动误差波动量为指标,研究了斜齿行星轮系的齿轮修形策略。采用集中参数法建立了斜齿行星轮系的弯—扭—轴—摆耦合动力学模型,进而运用Runge-Katta法求解了各齿轮副的动态传动误差;借助Romax软件,数值仿真了轮系中各齿面的接触载荷;齿轮未修形时,轮系中各啮合副的动态传动误差波动量大、齿面载荷分布不均、存在明显的啮入啮出冲击;因此,针对该斜齿行星轮系制定了齿向鼓形、齿廓渐开线的修形策略;基于齿轮啮合原理,推导了修形函数在啮合线上的分量,并将其计入行星轮系的动力学模型,再通过数值计算,获得计入齿轮修形效应的各啮合副动态传动误差;运用响应面法拟合出齿轮修形量与啮合副动态传动误差波动量之间含交叉项的二次多项式函数,取其最小值对应的设计变量值为内、外啮合副独立修形时的最佳修形量;在此基础上,以内、外啮合副独立修形时的最佳修形量为设计变量均值,进一步拟合出斜齿行星轮系综合修形的响应面函数,并通过求解函数最小值获得轮系最佳修形量组合;最后,比较了修形前、后斜齿行星轮系的动态特性。结果表明:所提的修形方法能有效改善齿面受载状况,使各齿轮副的动态传动误差波动量降低到4μm以内。     

融合齿背接触机理的圆柱斜齿轮振动特性分析与双面修形优化研究

为了更合理地分析高速圆柱斜齿轮非线性振动特性、有效抑制齿面振动。通过考虑增/减速状态的轮齿承载接触模型,建立了考虑齿背接触特性的圆柱斜齿轮动态啮合刚度,得出齿面啮合刚度同时与啮合时间和齿面振动位移之间的耦合机理;进一步建立考虑齿面/齿背啮合刚度、线外啮合冲击激励的高转速圆柱斜齿轮传动系统非线性振动模型,并在此基础上展开同时计及齿面、齿背接触状态的双齿面减振修形优化研究。实例计算结果表明,计及齿背啮合刚度的振动加速度明显大于未考虑齿背啮合刚度的振动加速度,且系统表现出更加复杂的分叉特性;相较于标准齿面和单面修形,双面修形的圆柱斜齿轮具有最小的齿面振动加速度,且双面修形齿面在减缓圆柱齿轮振动的同时,也增大了系统可供稳定工作的转速区间范围,具有较好的工程实际应用价值,对提升系统稳定性设计有着积极的指导意义。     

齿面三维修形对人字齿轮振动特性影响分析与试验研究

针对航空、航海等重要场合应用的高精度圆柱人字齿轮,提出对小轮齿面采用四次抛物线式三维修形,并以三次B样条曲线拟合包括修形和误差的精确齿面模型。综合考虑传动误差激励和啮入冲击力激励,建立滚动轴承支撑人字齿轮副啮合型弯-扭-轴耦合十二自由度振动模型,实例分析了齿面修形对人字齿轮齿间振动内激励因素的影响。选取承载传动误差波动幅值、啮入冲击力幅值以及轮齿啮合振动加速度均方根值作为多目标动力学优化函数;利用改进的自适应遗传算法对修形设计参数进行优化。结果表明:修形前后啮合线方向轮齿相对振动加速度均方根值降幅为20.42%,取得了较好的减振降噪效果。搭建封闭功率流式人字齿轮振动测试试验台,采用海德汉圆光栅对修形前后人字齿轮啮合线向振动加速度进行测量,理论计算与试验测量基本趋势保持一致,最大误差不超过14.5%。     

圆弧齿线圆柱齿轮啮合接触冲击研究

以圆弧齿线圆柱齿轮为研究对象,为了获得圆弧齿线圆柱齿轮的啮合接触冲击特性。基于接触动力学相关理论和齿轮传动物理模型,提出了圆弧齿线圆柱齿轮传动啮合接触冲击的假说,并建立齿轮啮合接触冲击模型;给出可以解决冲击碰撞问题的有限元分析方法,通过圆弧齿线圆柱齿轮齿面数学模型建立精确三维数字样机,进而建立啮合接触冲击显示动态有限元模型,研究冲击速度、冲击位置与冲击应力、冲击合力以及冲击时间的关系。研究表明冲击速度和冲击位置的变化对冲击应力、冲击合力和冲击时间均产生了一定的影响。研究结果为圆弧齿线圆柱齿轮的动态设计和工业应用提供了理论基础。     

圆弧齿锥齿轮接触动力学分析

运用三角网格方法重构了三维离散的圆弧齿啮合齿面模型。基于多体动力学理论和迟滞接触动力学方法,提出了考虑全齿面动态接触关系的螺旋锥齿轮三维接触动力学模型和动力学分析方法。运用三角网格单元接触的包围盒搜索技术和微分代数方程求解方法,仿真分析了单侧齿面接触、双侧齿面接触、负载扭矩和齿侧侧隙等因素对齿轮啮合传动特性的影响,获得了圆弧齿啮合全齿面接触冲击力,力矩和角速度等齿轮啮合传动的动态响应特性。研究表明：新方法和动力学模型较好地模拟了圆弧齿锥齿轮的承载特性和啮合接触动力学特性,对以动力学特性为目标的圆弧齿锥齿轮设计和齿轮系统动力学研究提供了理论参考。     

混合修形斜齿轮转子系统振动特性分析

由于制造、安装误差和轮齿变形等因素,齿轮在啮合过程中难免产生振动、冲击和噪声,对斜齿轮齿廓进行适当修形可以有效改善啮合状态,提升传动的平稳性。基于轮齿承载接触分析理论提出含齿顶修形和齿向修形两种方式的斜齿轮混合修形方法,建立计算考虑混合修形的斜齿轮时变啮合刚度模型,并通过ANSYS验证了该模型的有效性;基于提出的模型分析了不同修形参数对时变啮合刚度的影响;在啮合特性模型的基础上建立斜齿轮副动力学模型,考虑混合修形齿轮副啮合刚度的时变性,分析不同修形方式及修形量对齿轮转子系统振动响应的影响。研究表明,齿顶修形不仅可以避免齿轮边缘接触,而且在特定的频段范围内可大幅减小齿轮转子系统的振动,并为斜齿轮副的修形优化设计提供了理论依据。     

考虑齿轮-转子系统振动响应的最佳修形曲线研究

轮齿修形可减小齿轮静态传动误差,改善齿轮动态特性。基于现有文献,考虑基圆与齿根圆不重合,在齿廓精确建模的基础上确定齿轮的时变啮合刚度和静态传动误差。针对不同修形曲线在不同修形量下齿轮静态传动误差的变化进行分析,给出了不同修形量范围内的最佳修形曲线,并结合齿轮-转子系统动力学模型,考虑齿廓修形引起的无载荷静态传动误差,分析不同修形曲线下系统的振动特性,进一步确定不同转速下最佳修形曲线。研究结果表明通过评估齿轮-转子系统的振动特性,可更好地确定不同转速下的轮齿的最佳修形曲线。     

混合弹流润滑下人字齿轮系统动态啮合效率研究

为准确有效计算人字齿轮啮合效率,更好分析人字齿轮系统传动特性,建立滚动轴承支撑、同时考虑啮合刚度激励、啮合冲击激励及齿面啮合摩擦激励的人字齿轮传动系统12自由度动力学模型。分析啮合齿面润滑机理,通过齿面接触分析及轮齿承载接触分析程序,计算啮合齿面滑动摩擦系数及摩擦损失功率;在此基础上获得人字齿轮动态啮合载荷下齿面动态啮合效率。以人字齿轮传动系统参数为实例进行验证,分别计算齿面啮合静态效率、齿面啮合动态效率及参照AGMA标准的啮合效率。结果表明,齿面啮合效率以啮合齿频为周期,动态啮合效率低于静态啮合效率,符合因各动态激励因素存在导致系统能耗增大趋势,计算结果均值与AGMA标准值基本一致。表明该计算方法合理有效。     

高速齿轮传递误差和啮入冲击的激励模拟及齿面优化修形

为了减小高速齿轮的振动与噪音,针对齿面传统修形方法中未考虑重合度影响的情况,以及仅考虑减少传动误差幅值对于高速齿轮减振降噪效果不显著的情况,提出了一种考虑重合度的齿面新修形方法,和基于几何接触分析和承载接触分析的啮入冲击力计算方法。基于智能优化算法和提出的新修形方法,建立了以冲击力和承载传动误差幅值最小的优化模型,通过多目标优化得到相应的优化修形量。实例计算结果表明:与传统修形相比,新修形能够更有效的减小承载传动误差波动和冲击力。     

同功重比修形斜齿和直齿面齿轮性能对比研究

为深入了解同功重比修形斜齿与直齿面齿轮的性能差异,选择更适合于高速重载工况下的面齿轮传动.基于啮合原理推导了修形斜齿与直齿面齿轮齿面方程,基于CATIA建立了修形斜齿与直齿面齿轮三维模型,采用有限元接触分析方法,以接触应力、弯曲应力和重合度为面齿轮传动性能指标展开研究.研究结果表明:修形斜齿面齿轮相比修形直齿面齿轮接触应力大幅降低,算例最大接触应力降低16.3%;修形斜齿面齿轮相比修形直齿面齿轮弯曲应力大幅降低,算例最大弯曲应力降低32.4%;修形斜齿面齿轮相比修形直齿面齿轮重合度大幅提高,算例重合度提高10.3%.所以同功重比情况下,修形斜齿面齿轮传动性能优于修形直齿面齿轮,前者更适合于高速重载工况下的轻量化设计.     

剃齿啮合的接触特性分析及中凹误差形成机理研究EI北大核心CSCD

探索剃齿过程中接触特性对齿形中凹误差的影响规律,对研究中凹误差形成机理具有重要的理论和实际意义。基于弹塑性理论和齿面承载接触分析技术(Loaded Tooth Contact Analysis,LTCA),构建力学模型分析不同载荷条件下剃齿啮合接触特性,阐述了中凹误差形成机理。应用有限元法明确了不同载荷条件下的齿面接触应力及齿廓弹塑性变形区域的划分,并与剃齿试验相比较。结果表明:随着载荷的增加齿廓上塑性变形区域随非线性增大;齿根部位较之齿顶所受的应力和变形量更大,峰值出现在节圆附近的中部位置,该区域最易出现塑性变形,同时随着剃齿低周啮合,塑性变形量不断累积,齿形误差复映,最终会在齿廓上出现明显的中凹误差现象;有限元仿真的接触应力和弹塑性区域划分结果可靠,试验验证理论分析及研究结论正确。     

考虑齿顶修形和时变中心距的渐开线直齿轮振动特性研究

针对渐开线直齿轮,考虑时变中心距推导了动态啮合角、动态间隙的解析表达式,考虑时变转速、时变中心距和齿顶修形,并采用解析方法得到了齿轮的动态啮合刚度,在此基础上建立了齿轮啮合模型。考虑几何偏心、齿向偏载力矩和陀螺力矩,建立了单级齿轮传动系统10自由度横-扭-摆耦合非线性动力学模型。将非线性动力学模型和齿轮啮合模型进行耦合计算,对比分析了转速和扭矩对不同修形齿轮振动特性的影响。结果表明:当转速超过某临界值,短修形齿轮的振动载荷大于无修形齿轮,而长修形齿轮不存在临界转速;随着扭矩的增加,无修形齿轮的啮合力峰峰值呈线性比例增加,短修形齿轮和长修形齿轮的啮合力峰峰值近似呈先减小后增大的趋势变化,说明在某扭矩下修形齿轮的振动载荷最小,且长修形对应的扭矩大于短修形;短修形和长修形齿轮均存在临界扭矩,当扭矩小于该临界值时,修形齿轮的振动载荷大于无修形齿轮,且长修形对应临界扭矩小于短修形。     

面齿轮传动啮合刚度分析与修形减振优化

为准确求解面齿轮传动的啮合刚度,基于齿轮的承载接触分析(LTCA)技术,综合考虑变位、小轮偏置、齿面修形以及安装误差,提出了面齿轮传动啮合刚度计算方法,并验证了该方法的精确性。分析了负载、变位、小轮偏置和安装误差对面齿轮传动综合啮合刚度均值和波动幅值的影响,并将LTCA技术与遗传算法相结合,建立了面齿轮传动修形减振优化模型。研究结果表明:面齿轮传动综合啮合刚度幅值波动较大,存在阶跃突变现象,但波动幅值对负载、变位、小轮偏置和安装误差并不敏感,而综合啮合刚度均值受负载、小轮偏置和安装误差影响较大,且在3类安装误差中,轴夹角误差对综合啮合刚度均值影响最大;优化小轮修形参数后使综合啮合刚度的波动幅值大幅下降,从而可有效减小面齿轮传动的振动和噪声。     

考虑轮齿修形的电动车轮边减速器动态啮合性能研究

为揭示考虑修形条件下电动车轮边减速器啮合特性与动态特性,提出三种轮齿修形方案,建立电动车轮边减速器啮合模型,获取不同修形方案下的轮齿啮合印痕;考虑修形条件下的系统刚度激励与传动误差激励,建立了电动车轮边减速器多体多自由度系统动力学模型,获取系统动态啮合力与动态轴承支承响应。结果表明未修形条件下,轮齿啮合印痕分布较差,边缘接触明显;高速级单独齿向线性修形与起鼓修形可有效改善啮合印痕,低速级齿向采用线性修形配合起鼓修形,齿形采用起鼓修形或压力角修形可有效改善啮合印痕;三种修形方案使得输入高速级与输出低速级传动误差与动态啮合力,各轴动态轴承支承响应均明显改善,推荐在电动车轮边减速器设计中采用齿向线性或起鼓修形配合齿形起鼓修形。     

基于齿轮传动系统横-扭-摆耦合非线性动力学模型的齿廓修形优化设计

基于齿轮传动系统动力学模型的齿廓修形优化设计可真实地反映修形参数对齿轮动态特性的影响。考虑几何偏心、陀螺力矩和齿向偏载力矩,建立了单级齿轮传动系统10自由度横-扭-摆耦合非线性动力学模型。提出了考虑齿轮实际运动状态并可适用于齿廓修形齿轮的啮合刚度模型,并采用解析法计算啮合刚度。为了降低齿轮传动系统的振动和噪声,以减小齿轮传动系统的动载系数为目标,建立了基于齿轮传动系统横-扭-摆耦合非线性动力学模型的齿廓修形优化模型。对某重载车辆齿轮传动系统进行了齿廓修形优化设计,优化结果有效的降低了齿轮的动载荷,可为设计低振动和低噪声的齿轮传动系统提供依据。     

人字齿轮减振修形优化设计

通过理论齿面与修形曲面叠加设计人字齿轮修形齿面,结合TCA、LTCA技术,综合考虑轮齿刚度、轴向窜动及啮合冲击激励,建立人字齿轮啮合型弯-扭-轴-摆10自由度动力学模型。以LTE幅值、轴向力及振动加速度最小为目标,通过优化确定最佳修形齿面。研究表明,轴向窜动与修形可共同改善齿面载荷分布;转速增加啮合冲击激励较刚度激励、轴向窜动激励振动更明显,刚度激励与冲击激励为引起啮合线方向振动的主要原因,而轴向位移激励对啮合线方向振动无影响;轴向位移激励为引起轴向、扭摆方向振动的主要原因;修形可降低啮合冲击、轴向窜动量、轮齿刚度及刚度波动,能有效降低系统振动。     

用自制表夹测量齿圈齿向误差

在渐开线圆柱齿轮诸多参数的测量中,齿向误差是影响齿轮传动准确度的关键参数之一。齿向误差是指在分度圆柱面上,齿宽有效部分范围内(端部倒角部分除外)包容实际齿线且距离为最小的两条设计齿向线之间的端面距离;设计齿向线可以是修正的圆柱螺旋线,包括鼓形线、齿端修薄及其它修形曲线;测量应在端截面内齿高中部进行。