滚动轴承-转子系统动力学特性分析

在滚动轴承动力学和转子动力学基础上,建立滚动轴承-转子系统非线性动力学分析模型,采用New-mark-β积分法和Newton-Raphson迭代法对轴承-转子系统非线性动力学微分方程进行求解,对轴承结构参数和工况参数与轴承-转子系统动力学特性关系进行分析,分析结果表明:系统中转子的转动频率始终存在,支承轴承的变刚度频率随着轴承结构参数和系统工况参数的不同而出现或消失;支承轴承内、外沟曲率半径系数的变化不改变系统中已存在的振动频率成分;系统的非线性特性随轴承钢球个数、预紧力的增加而减弱,随径向载荷的增大而增强;存在一个最佳转速区间,在此区间内,系统的非线性特性较弱。     

驱动桥锥齿轮错位量的有限元建模和分析

针对驱动桥锥齿轮在设计分析时所需的错位量参数难以获得的问题,在考虑轴承刚度耦合非线性的基础上,建立了包括传动轴、轴承、锥齿轮、差速器等部件在内的驱动桥传动系统的完整有限元模型。在驱动桥桥壳和主减速器壳体建模过程中,考虑刚度的影响,使用有限元模型提取了刚度矩阵,提出了一种驱动桥有限元建模方法;通过搭建的驱动桥仿真分析模型,模拟了真实工况,计算了模型的系统变形,分析得到了锥齿轮设计时所需的错位量。研究结果表明:该方法能对驱动桥包含的各部件进行建模,可模拟试验中的载荷工况,且模型计算分析周期短,仿真结果精度满足工程需求,能够实现对锥齿轮错位量的计算分析;同时,该结果对驱动桥传动系统其他部件的设计和分析也具有一定的借鉴意义。     

摇摆工况下椭圆轴承转子系统动力学特性研究

倾斜摇摆工况下,不仅轴承承受载荷随时间变化,而且轴承动特性参数也发生变化,这必然会影响轴承支撑的转子系统的安全性与稳定性分析结果。仅通过稳态分析难以保证支撑轴承自身的安全性和可靠性以及转子轴承系统的稳定性。基于轴承刚度和阻尼的分段线性化假设,建立不同横摇角度的转子轴承模型,用某大学润滑理论与轴承研究所开发的转子轴承系统动力学分析软件DLAP(Dynamic Lubrication Analysis Program),耦合求解椭圆轴承转子系统动力学模型,采用特征值和特征向量,稳定性分析、不平衡响应分析以及瞬态动力学分析等手段,详细研究了转子轴承系统的稳定性和安全性,并与正常工况下轴系的动力学特性对比,最终得出摇摆工况下椭圆轴承支撑的转子系统的动力学特性。     

主减速器轴承载荷对重载卡车驱动桥壳疲劳特性影响

为解决某型重载卡车驱动桥使用寿命较短的问题,在进行试验场可靠性试验时测得了该车道路行驶工况下钢板弹簧对桥壳的动载荷和传动轴给主减速器的输入载荷,据此使用Romax软件建立了主减速器系统的动力学模型,得到了实际运行工况下主减速器轴承系统施加于桥壳的动载荷,然后使用Design Life疲劳分析软件对驱动桥壳在单独施加板簧载荷和同时施加板簧载荷与主减速器轴承载荷两种分析工况下的疲劳特性进行了分析计算,发现同时考虑板簧载荷和轴承载荷时的分析结果比较接近该车的实际寿命。     

应用滑动轴承的风电齿轮箱行星轮系动力学建模及解耦方法

在行星轮系动力学建模中,常以非线性油膜力或线性刚度-阻尼形式考虑其对系统动力学特性的影响,前者仿真精度高但计算成本也高,后者计算效率高却忽略了油膜力和轴颈-轴套偏心量的时变性,仿真精度有限。为此,以2MW级风电齿轮箱为研究对象,建立滑动轴承时变线性刚度-阻尼模型,提出计入轴颈-轴套时变偏心量的滑动轴承附加偏心修正力计算方法;利用行星架销轴-行星轮变形协调关系,将时变线性刚度-阻尼模型与附加偏心修正力进行耦合;建立应用滑动轴承的风电齿轮箱行星轮系动力学模型,对比了工况和轴承参数对模型计算精度与系统动态响应的影响,并通过试验加以验证。研究结果表明,齿轮副动态啮合力波动会使滑动轴承刚度-阻尼系数和附加偏心修正力产生周期性变化;在稳定和瞬态工况下,提出的模型可以很好地预测系统响应,尤其是行星轮振动响应;减小滑动轴承宽径比与间隙、增大输入转矩可以改善系统均载性能。     

驱动桥主减速器动态特性分析

基于机械动力学理论,对驱动桥减速器进行动态特性分析。首先,建立驱动桥整体模型,分析了齿轮副啮合刚度、误差和啮合冲击激励,并根据啮合刚度的变化进行了传递误差的计算。其次,通过计算加载后的各零件的变形叠加所导致的齿轮副的错位量,研究了驱动桥动态响应结果。最后,提出改善动态特性的可行性方案,通过更换轴承和齿轮齿面修形优化,降低齿轮副错位量,提高其啮合质量,最终改善了驱动桥主减速器传动的动态特性。     

气体动压径向短轴承动力学和分岔分析

径向气体润滑轴承是精确定位以及微旋转机械中的重要部件,其非线性动力学特性对整个器件的稳定性和可靠性具有重要的影响。文中以气体动压径向短轴承—转子系统为研究对象,建立气体轴承—转子系统耦合非线性动力学方程,以轴承数为分岔参数,分析长径比为0.75时在不同初始偏心率条件下,系统动力学特性随转子转速变化的影响。     

计入轴倾斜时轴-轴承系统跨学科耦合分析

采用动力学仿真软件ADAMS和有限元分析软件ANSYS,辅以手工编程的方法,研究了变载荷作用下轴-轴承系统动力学、摩擦学、刚度和强度耦合分析问题的建模和求解,着重讨论轴受载变形倾斜对轴-轴承系统动力学行为、轴承的摩擦学特性和轴颈表面动应力的影响。耦合分析计算结果表明：动应力在轴颈表面沿轴向和周向的分布与油膜压力沿轴向和周向的分布密切相关;动应力随时间的变化与轴-轴承系统的动力学响应密切相关。轴倾斜使得轴-轴承系统的动力学响应、润滑性能以及轴颈表面动应力发生改变。     

高速滚动轴承-转子系统时变轴承刚度及振动响应分析

高速滚动轴承广泛应用于机床主轴、航空发动机等转子系统中。在复杂运行工况下,滚动轴承的刚度表现出强烈的时变特性和非线性特性,往往是系统非线性的主要根源。考虑离心力、陀螺力矩、轴承内圈离心膨胀和热变形等因素,建立高速滚动轴承力学模型,计算轴承的时变刚度。将滚动轴承非线性模型与转子有限元模型集成,建立滚动轴承-转子耦合系统动力学模型。以FAG角接触球轴承(HCB7012E)为例,分别计算静载荷作用下的内外圈轴向、径向相对位移,并与舍弗勒轴承分析软件BearinX?的计算结果进行比较,验证了模型对静态位移仿真的精度。在不同轴承预紧状态下,仿真滚动轴承-转子系统在不平衡激励下的振动响应,并与试验结果比较,验证了模型仿真系统动态响应的精度。利用一个背对背安装的角接触球轴承-转子系统,研究在静载荷、不平衡载荷激励作用下滚动轴承刚度的变化规律,并计算时变轴承刚度作用下转子的时域振动响应及频域特征,为高速滚动轴承-转子系统设计、动力学分析与故障诊断提供依据。     

基于球-滚道非完全接触状态下的球轴承载荷分布计算及刚度特性研究

针对非完全接触状态下的球轴承建模及特性分析,提出新的初始位置假设,并结合球-滚道接触状态判定准则建立了不同载荷(轴向、径向及联合载荷)条件下高速球轴承的通用分析模型。在此基础上,运用球轴承刚度矩阵解析计算方法,构建嵌套式Newton-Raphson迭代算法,实现上述模型求解,并针对不同工况条件下的球轴承的内部载荷分布及刚度特性展开分析。计算结果表明,所得结果相比于Jones-Harris模型更具合理性和适用性,且轴承内部载荷分布及刚度特性受轴承外部载荷条件及内部接触状态共同作用,轴承内部接触区滚珠个数随轴承间隙、外部载荷及转速大小变化而改变,进而引起轴承刚度突变。此外,适当增加轴向载荷可有效改善轴承内部载荷分布及增加接触区滚珠个数。     

The efficiency of a hypoid axle—a thermally coupled lubrication model

The final drive unit in road vehicles, such as medium and heavy trucks, and four-wheel-drive and rear-wheel-drive passenger cars, usually consists of a hypoid or spiral bevel geared transmission and differential, housed in a self-contained, dip-lubricated axle. Such units are subjected to very variable duty—including extreme combinations of speed, gradient, applied torque and external temperature—and are typically cooled by natural and forced convection on the exterior surface. On the other hand, there are appreciable internal power losses due to gear friction and churning and to bearing and seal losses. These losses are highly dependent upon the lubrication regime of the internal components and hence to the thermal behaviour of the entire axle.In the present paper, we describe a thermally coupled model of axle lubrication. The torque and speed demand is first found from a specified duty (“drive cycle”) which includes terrain as well as speed-versus-time and external temperature data. The evolution of sump oil and component temperatures is followed, and increments of energy loss evaluated in each time-step. Elastohydrodynamic film thickness is determined for the hypoid gear set, using a development of Buckingham's method, and friction losses calculated using a simple oil rheological model based on tribometer (MTM) testing. Churning, seal and bearing (speed-dependent) losses are found using empirical algorithms. Energy losses over complete drive cycles for different lubricants are derived, enabling the relative fuel economy for different oils to be evaluated.Results show that (i) the bulk temperature rise of the axle is highly dependent on the specified vehicle duty and (ii) the efficiency can be strongly influenced by choices available to the lubricant formulator. Taken together, these findings suggest that specialist axle lubricant formulations for particular vehicle types and applications will be attractive as a route to optimum fuel economy.     

考虑系统变形的电驱动桥齿轮啮合效率研究

传动效率是电驱动桥重要性能指标之一,实际使用条件下,由于齿轮、轴、轴承以及壳体等部件的负载变形,齿轮副之间存在啮合错位。为了准确预测电驱动桥传动系的啮合效率,提出了一种考虑系统变形的电驱动桥齿轮啮合效率计算方法。首先基于传动系等效啮合模型,计算不同载荷工况下传动系每个齿轮副之间的啮合错位量,采用考虑摩擦的齿轮加载接触分析方法(FLTCA)和混合润滑摩擦系数模型对齿轮副的齿面接触力和齿面摩擦系数分布进行计算,得到系统功率损失及啮合效率。然后,与商用有限元软件计算结果进行对比,验证了计算方法的准确性。最后,针对不同载荷工况和不同转速分析了考虑和不考虑系统变形的系统啮合效率,结果表明：随着转矩的增加,系统变形增大,齿轮副之间的错位量增加,导致齿轮副之间发生偏载,齿面摩擦系数增加,系统啮合效率呈下降趋势。     

基于有限元法的准双曲面齿轮时变啮合特性研究

准确计算准双曲面齿轮的时变啮合参数是其系统动力学分析的基础。基于接触有限元分析原理,应用有限元分析软件ABAQUS对齿轮进行加载接触分析(Loaded tooth contact analysis,LTCA),准确计算准双曲面齿轮时变等效啮合参数,包括时变等效啮合点位置、时变等效啮合力作用方向、等效啮合力作用方向上的线位移传动误差和时变等效啮合刚度,并研究转矩大小对时变啮合参数的影响。对比有限元法与经典齿轮接触分析(Tooth contact analysis,TCA)方法求得的传动误差曲线,并对比有限元法计算与加载啮合试验获得的齿面啮合印迹,验证有限元模型和计算的正确性。该方法求得的时变等效啮合参数能够准确体现准双曲面齿轮的时变啮合特性,为进一步研究准双曲面齿轮系统动力学特性提供依据。     

双列圆锥滚子轴承支承的车辆驱动桥主减速器轴系固有特性分析

车辆驱动桥主动轴采用双列圆锥滚子轴承的支承结构将引起轴系固有特性发生变化,基于赫兹接触及有限元理论建立了双列圆锥滚子轴承刚度模型及支承轴系动力学模型,对比分析了支承结构改变前后的轴系固有特性及轴向载荷对轴系固有特性的影响。分析结果表明:采用双列圆锥滚子轴承支承结构后,减速器主动轴的轴系固有频率较原支承结构有所减小;随着轴向载荷增加,轴承径向刚度增大,进而导致轴系固有频率增大。     

变风速运行控制下风电传动系统的动态特性

基于齿轮系统动力学的方法对风电传动系统进行研究。运用基于自回归模型的线性滤波法(Auto-regressive,AR)建立的风速模型对实际风场的随机风速进行模拟;根据风力发电机在实际情况中的运行控制策略获得风力发电机齿轮传动系统的时变输入转矩激励;综合考虑风力发电机齿轮传动系统中各个齿轮副的时变啮合刚度、各个滚动轴承的刚度、各个轮齿综合啮合误差等内部激励,采用集中参数质量法建立风力发电机齿轮传动系统的耦合动力学模型;在此基础上建立风力发电机齿轮传动系统的动力学微分方程并进行仿真计算,分别求解风力发电机齿轮传动系统的固有频率、振动响应、动态啮合力和滚动轴承动态轴承力。研究结果为风力发电机传动系统的动态性能优化设计和可靠性设计奠定了基础。     

考虑误差、轴变形和轴承刚度的弧齿锥齿轮LTCA

加工误差、安装误差、轴变形及轴承刚度会对弧齿锥齿轮的接触轨迹及传递误差曲线产生影响,基于加载接触有限元分析原理,给出考虑加工误差、安装误差、轴变形及轴承刚度的弧齿锥齿轮有限元加载接触分析方法,以一对准双曲面齿轮为对象,研究在考虑上述条件下接触轨迹的变化及传递误差曲线的变化情况,为高质量弧齿锥齿轮传动提供了一种有效设计与分析方法。     

Development and Validation of an Automotive Axle Power Loss Model

This study proposes a methodology to predict power losses of automotive axle units, including both load-dependent (mechanical) and load-independent (spin) loss components. This methodology combines a mechanical hypoid gear mesh power loss model, a new tapered roller bearing mechanical power loss model, a gear drag loss model, and empirical viscous bearing power loss formulae to determine the total power loss of an axle unit. The proposed methodology captures the effects of operating conditions (speed and torque and oil temperature and level), contact surface roughness amplitudes, as well as bearing preload on power loss. The model is employed to simulate published axle efficiency experiments. Direct comparisons between measured and predicted power losses are presented to demonstrate the accuracy of the proposed modeling methodology.     

牵引电机扭矩激扰的机车齿轮传动系统非线性特性

考虑牵引电机扭矩变化和轮轨黏着力波动等外部激励,以及齿侧间隙、时变啮合刚度和传递误差等内部激扰,采用集中质量法建立了某和谐号机车直齿齿轮传动系统的动力学模型。利用数值方法求解了电机扭矩变化时齿轮传动系统的动力学响应。结合分岔图、相平面图、庞加莱截面图、时间历程图、频谱图,分析了电机扭矩变化对系统非线性特性的影响规律,揭示了系统由单周期、多周期到混沌运动的非线性动力学演化机理。     

基于动力学的风电增速箱多级齿轮传动系统可靠性评估

针对风力发电机齿轮传动系统在变风速工况下失效率高的问题,在模拟真实风速的基础上,建立了考虑外部随机风载及内部轮齿时变啮合刚度、轴承时变刚度、综合传递误差等激励因素的风力发电机齿轮传动系统齿轮-轴承耦合动力学模型,通过对动力学模型进行仿真计算,得到了各齿轮副的动态啮合力和各支承轴承的动态接触力,并求得齿轮的使用系数、齿轮和轴承的载荷系数。在此基础上,建立了基于动力学的风电齿轮传动系统可靠性评估模型,并求得了各零件及传动系统的可靠度,较全面地评价了随机风载作用下风力发电机齿轮传动系统的可靠性,为风力发电机齿轮传动系统可靠性设计和动态优化奠定了基础。     

The influence of bearing misalignment on the performance of helicopter gear boxes

The misalignments in the bearings of a gear box affect the life of the bearings and the deflection of the tooth contact points of the gears and consequently the performance of the gear box as a whole. Owing to the interaction of the deflections of all component parts of a gear box such as gears, shafts, bearings, spacers etc. it is necessary to consider these in combination rather than individually. A computer program was developed for analysing typical helicopter gear boxes with cantilevered housings in which the gear shafts are supported by taper roller bearings. In this program such factors as the misalignment of the bearings, the torque transmitted, the bearing preload, the rigidity of the casing and shaft complete with the bearing spacer, the spacing between the bearings, the location of the external load and the elements of elastic deformations in the bearings are considered. The particular assembly used in this paper is based on a Wessex tail rotor gear box, although the program developed is of a general nature.The influence of the misalignments between the bearing races that may be present before the application of an external load is investigated in this paper. The effect of crowning of the rollers or race tracks, to reduce the edge loading, on the deflection components of the gear tooth contact points is also included in the investigation.