多载荷工况下人字齿轮传动系统振动特性分析

由轮齿接触分析以及轮齿承载接触分析计算出考虑安装误差的轮齿啮合刚度,建立了考虑时变啮合刚度激励、啮合冲击激励和齿侧间隙激励的人字齿轮系统十二自由度啮合型弯—扭—轴耦合非线性振动模型。以某船用单级人字齿轮副为实例,研究了多载荷下人字齿轮左端啮合副周向的振动特性,结果表明,外载荷的增大使得啮合刚度激励和啮合冲击激励下系统的振动均增大,且啮合冲击激励对外载荷的敏感性高于啮合刚度激励,而齿侧间隙激励下系统的振动则随着外载荷增大而减小。同时,啮合冲击激励对系统振动的影响随着载荷增大而增大,而啮合刚度激励和齿侧间隙激励则随着载荷增大而减小。     

汇流传动齿轮系统分岔与混沌研究

为研究齿轮系统中侧隙等非线性因素对汇流传动齿轮系统的影响,考虑齿侧间隙、传动误差、时变啮合刚度和布局参数的影响,建立了含有两个齿轮副的三齿轮系统动力学模型。分别从啮合刚度的相位差、激励频率和载荷比三个方面出发,研究了各个参数的变化对齿轮系统动态特性的影响。为了判别周期运动和混沌行为,采用了庞加莱映射、频谱分析和基于混沌时间序列的lyapunov指数分析手段。结果表明,在改变诸如频率比、载荷比等一系列系统参数的情况下,左右齿轮副表现出同周期运动并存、不同周期运动并存、倍周期分岔、混沌等丰富的非线性动力学行为。     

多级齿轮传动系统耦合非线性振动特性分析

以锥-平行轴-行星多级齿轮传动系统为研究对象,建立了包含时变啮合刚度、啮合阻尼、传递误差、齿侧间隙等因素的18自由度弯-扭-轴耦合非线性动力学模型,采用4-5阶变步长Runge-Kutta法对系统的无量纲动力学微分方程进行求解,研究其耦合非线性振动特性。计算结果表明：随着齿侧间隙的增大,系统响应经倍周期分岔进入混沌运动,且侧隙对系统动态特性的影响随着负载的增大逐渐减小;随着负载的增大,系统响应由混沌经逆倍周期分岔进入单周期响应,齿轮副啮合状态由双边冲击、单边冲击过渡到无冲击状态;当输入转速减小时,混沌区域覆盖的负载范围也随之减小。     

裂纹故障对斜齿轮时变啮合刚度及振动响应的影响分析

以含裂纹故障的斜齿轮传动系统为研究对象,结合轮齿接触、弯曲、剪切、轴向压缩及基体弹性变形,提出了含裂纹故障斜齿轮副时变啮合刚度修正算法,并通过有限元法验证了算法的正确性,而后分析了不同长度、深度、角度等裂纹参数对斜齿轮啮合刚度的影响规律。在此基础上,综合考虑齿轮时变啮合刚度、静态传动误差、轴承支撑刚度及齿轮转子陀螺力等因素,基于轴系单元法建立了单级裂纹故障斜齿轮传动系统耦合动力学模型,采用Newmark-β法对系统动态特性进行分析,研究了裂纹参数对系统振动响应的影响。结果表明,随着裂纹深度及长度的增加,齿轮副啮合刚度有较大幅度的减小,系统时域响应中存在周期性冲击现象,频域响应中出现了以啮合频率为中心的调制边频带,研究结果可为含裂纹齿轮传动故障诊断提供理论依据。     

汇流传动齿轮-转子-轴承系统非线性动力学分析

考虑齿侧间隙、传动误差和时变啮合刚度等非线性因素,并同时考虑滑动轴承非线性油膜力和齿轮啮合力的耦合影响,建立了汇流传动齿轮-转子-轴承系统的动力学模型。从转速方面出发,研究了齿轮系统的非线性动态响应,分析了齿轮啮合力和非线性油膜力之间的耦合作用,判断了转速变化下的油膜稳定性。结果表明：随着转速变化,系统表现出周期一运动、周期二运动、拟周期运动,混沌等丰富的动力学特性,并发现了拟周期分岔通向混沌的道路;随着转速升高,非线性啮合力和非线性油膜力先后对系统振动起到主要作用;油膜振动通过半频涡动失去了稳定性。     

风电齿轮传动系统变载荷动态特性分析

本文综合考虑风电低速轴气动载荷、时变啮合刚度、综合啮合误差和阻尼等因素的影响,采用集中质量法建立三级斜齿轮系统的动力学模型,推导出系统的振动微分方程;采用可变阶的数值微分算法。求解齿轮传动系统动力学微分方程,对齿轮传动系统在复杂外部激励和内部激励同时作用下的动态特性进行了分析。     

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。     

考虑内部激励随机性的两级分流式人字齿轮传动动力学特性

根据某特种装备用两级分流式人字齿轮传动系统的构型特点,考虑轴承变形、啮合刚度、啮合误差和齿侧间隙等因素,建立了两级分流式人字齿轮传动系统的轴承-齿轮耦合非线性动力学模型。采用Runge-Kutta逐步积分法求解系统的非线性动力学微分方程,从而获得随机啮合刚度和啮合误差激励作用下两级分流式人字齿轮传动系统的动态啮合力和动态支承力及其频谱,采用Monte Carlo仿真获得动态啮合力和动态支承力的统计特征,研究了啮合刚度和啮合误差随机性对动态啮合力和动态支承力的影响规律,为两级分流式人字齿轮传动系统动力学优化以及动态可靠性优化奠定基础。     

基于增量谐波平衡法的复合行星齿轮传动系统非线性动力学

建立了包含时变啮合刚度、齿侧间隙与综合啮合误差的Ravigneaux式复合行星齿轮传动系统纯扭转动力学模型。运用增量谐波平衡法对系统运动微分方程组进行求解,得到系统的基频稳态响应。研究了时变啮合刚度、外部激励、齿侧间隙等参数的变化对系统动力学特性的影响。研究结果表明,间隙的存在使得复合行星齿轮系统的频响曲线出现了幅值跳跃与多值解等典型非线性特征,系统参数的共同作用使得复合行星齿轮系统出现了丰富的非线性动力学行为。利用本文的方法可以获得系统任意精度的近似解,为控制系统的振动与噪声,实现复合行星齿轮传动系统动态设计奠定基础。     

重合度对人字齿轮非线性系统振动特性的影响分析

由轮齿接触分析以及轮齿承载接触分析计算出考虑安装误差的轮齿综合啮合刚度和单齿啮合刚度,提出了考虑齿轮啮合重合度的啮合冲击计算模型,建立了考虑时变啮合刚度、啮入冲击、齿侧间隙的人字齿轮十二自由度啮合型弯—扭—轴耦合非线性振动模型。以某船用单级人字齿轮副为实例,通过改变轮齿高度变位系数调整重合度进行验证计算,将本文提出的线外啮合冲击模型冲击力计算结果与文献[8]中模型计算结果进行比较,验证了本文提出模型的有效性。通过实例计算,结果表明在负载一定的情况下,轮齿啮合周向及小轮轴向振动随着重合度的增大而减小;而当轮齿啮合重合度增大到4.07时,系统振动呈增大趋势。     

带有齿根裂纹故障的齿轮传动系统非线性动力学模型研究

在考虑齿面摩擦、时变啮合刚度、传递误差和质量偏心的情况下,利用集中质量法及牛顿定律建立了齿轮传动系统非线性振动微分方程.通过时变啮合刚度仿真了齿根裂纹故障,进而建立了具有齿根裂纹的非线性动力学故障模型.该模型在计算摩擦力时,考虑了载荷在啮合区的动态分配以及利用齿轮副的检验标准与公差值来确定齿轮副的传递误差.模型数值解的结果与故障特征的规律相符,为频谱机理的分析及故障特征的提取提供了有力的理论依据.     

正交面齿轮传动非线性振动特性分析

以正交面齿轮传动系统为研究对象,建立了包含时变啮合刚度、啮合阻尼、齿面误差、齿面摩擦、齿侧间隙、轴承间隙等因素的弯-扭耦合非线性动力学模型,采用4-5阶变步长Runge-Kutta法对系统的无量纲动力学微分方程组进行求解。计算结果表明：在不同转速时系统会出现单周期非谐响应、多周期次谐响应、拟周期响应及混沌响应,并伴随着跳跃现象;随着负载转矩的增大,系统响应呈现混沌-多周期次谐-单周期非谐的变化趋势,轻载时齿轮副易出现单边和双边冲击现象,当载荷增大到一定程度后齿轮副处于无冲击状态;摩擦系数较小时,对系统非线性振动特性影响不大,当其逐渐增大时,系统运动状态由单周期经倍周期分叉进入混沌运动     

考虑多间隙的齿轮柔性转子耦合系统非线性动力学分析

考虑齿侧间隙、轴承径向间隙,推导时变啮合刚度和时变轴承刚度,使用有限元法建立质量、刚度、阻尼矩阵并使用整体法组装,建立能够适用于复杂载荷的齿轮滚动轴承柔性转子系统非线性动力学模型。使用FPA修正法确定求解周期,采用Runge-Kutta法、Newton-Raphson法对非线性动力学方程组求解,求解最大Lyapunov指数判断系统的动力学行为。对动力学方程进行数值仿真,研究转速、齿侧间隙、转轴刚度、轴承径向间隙等参数对非线性动力学行为的影响。研究结果表明,随着齿侧间隙增大,齿轮系统会出现脱齿和挤齿现象,临界转速附近由拟周期运动进入混沌运动。随着转轴刚度降低,弯扭耦合振动临界转速减小,脱齿、挤齿和冲击现象逐渐减轻。随着径向间隙增大,轴承的非线性振动对系统的影响逐渐增大,轴承变刚度激励的幅值增大。     

Frequency spectrum and vibration analysis of high speed gear-rotor system with tooth root crack considering transmission error excitation

A finite element node dynamic model of gear-rotor-bearing system with different lengths of crack by taking the time-varying mesh stiffness, backlash, transmission error excitation, flexible shaft and supporting bearing into account is proposed. The time-varying mesh stiffness of gear-pair with cracked tooth is obtained by applying the improved potential energy method. Due to the periodic features of the dynamic responses of the system when the tooth is cracked, the short term component (tooth profile error and tooth pitch error) and long term component (accumulative pitch error) transmission error excitations are introduced, the RMS values, kurtosis values, and frequency spectrum diagrams of the dynamic response with respect to input speed considering different forms of transmission error excitation are gained. The influences of transmission error excitation and crack length on the dynamic responses are investigated. The effectiveness of the RMS value, kurtosis value and frequency spectrum in the judgment of the crack length is analyzed.     

An improved time-varying mesh stiffness algorithm and dynamic modeling of gear-rotor system with tooth root crack

When a tooth crack failure occurs, the vibration response characteristics caused by the change of time-varying mesh stiffness play an important role in crack fault diagnosis. In this paper, an improved time-varying mesh stiffness algorithm is presented. A coupled lateral and torsional vibration dynamic model is used to simulate the vibration response of gear-rotor system with tooth crack. The effects of geometric transmission error (GTE), bearing stiffness, and gear mesh stiffness on the dynamic model are analyzed. The simulation results show that the gear dynamic response is periodic impulses due to the periodic sudden change of time varying mesh stiffness. When the cracked tooth comes in contact, the impulse amplitude will increase as a result of reductions of mesh stiffness. Amplitude modulation phenomenon caused by GTE can be found in the simulation signal. The lateral–torsional coupling frequency increases greatly within certain limits and thereafter reaches a constant while the lateral natural frequency nearly remains constant as the gear mesh stiffness increases. Finally, an experiment was conducted on a test bench with 2 mm root crack fault. The results of experiment agree well with those obtained by simulation. The proposed method improves the accuracy of using potential energy method to calculate the time-varying mesh stiffness and expounds the vibration mechanism of gear-rotor system with tooth crack failure.     

一种改进的齿轮非线性动力学模型

在考虑齿面摩擦、齿轮时变啮合刚度和齿侧间隙的情况下,推导出了改正的齿轮副系统的非线性动力学模型,应用符号运算软件,编写符号运算程序,得到了齿轮副非线性振动微分方程。该模型在计算摩擦力时,考虑了载荷在啮合区的动态分配,并根据啮合区单双齿交替的特点提出用周期扩大法建立摩擦力、齿轮时变刚度的模型,改正的齿轮非线性动力学模型是一个周期系数分段线性的非自治系统,与以前所建立的模型相比,该模型的参变系数是具有相同周期的周期函数,新的齿轮非线性动力学模型的建立为求解时变的齿轮动力学方程近似解析解带来方便。     

斜齿轮动力学建模中啮合刚度处理与对比验证

为准确建立斜齿轮动力学模型,更好分析斜齿轮系统振动特性,提出基于轮齿承载接触分析、考虑齿轮轴扭转变形的轮齿啮合刚度计算方法。分析国内文献普遍采用的基于啮合刚度分解建立斜齿轮动力学模型,指出其与理论力学相悖之处,提出基于力、振动位移分解法建立综合考虑时变啮合刚度激励、啮入冲击激励的斜齿轮啮合型弯-扭-轴耦合振动模型。以某斜齿轮副为例进行的仿真计算结果表明,基于承载接触分析的轮齿啮合刚度计算方法能准确、方便求得轮齿啮合刚度,文献[8]动力学响应结果与理论实际存在明显差别,而基于力、振动位移分解法的响应则能与理论实际较好吻合。     

齿面摩擦对面齿轮传动系统振动特性的影响分析

为研究齿面摩擦力对正交面齿轮传动系统动态特性的影响,基于集中参数理论,建立了考虑齿面摩擦、齿侧间隙、传动误差、时变啮合刚度、啮合阻尼、支撑刚度和阻尼等参数的正交面齿轮多自由度耦合振动模型,采用龙格库塔数值积分法对系统的动力学方程求解,得到随摩擦系统变换的系统动态响应分岔特性。结果表明,随齿面摩擦系数的变化,面齿轮传动系统的动力学特性有周期响应和混沌响应,动态特性比较复杂。