基于有限单元法的多间隙耦合齿轮传动系统非线性动态特性分析

针对齿轮传动系统的动态传递误差、单双边冲击状态、脱齿、拍击及混沌现象等复杂非线性动力学问题,在同时考虑齿侧间隙、轴承间隙、时变啮合刚度及齿面摩擦等非线性特性的基础上,首次提出一种基于有限单元法的多间隙耦合齿轮传动系统的非线性动态特性分析方法。以某单级斜齿轮传动系统为例,利用大型通用有限元分析软件AN-SYS/LS-DYNA建立耦合系统动力学模型,分析支撑状态下耦合系统的非线性动态特性,研究了不同转速及负载力矩对耦合系统非线性动态特性的影响规律。结果表明有限单元法能在满足高精度分析的条件下求解各种复杂工况的齿轮系统非线性动力学问题,为进一步研究齿轮传动系统非线性动力学问题提供有力工具。     

高速机车牵引齿轮传动系统动态特性及非线性因素影响研究

综合考虑齿轮时变啮合刚度、齿面间隙、轴承游隙等多种非线性因素影响,并考虑高速机车齿轮传动系统三维空间五个方向的振动响应,建立高速机车齿轮传动系统弯-扭-轴-摆耦合多自由度动力学分析模型。对动力学方程进行无量纲化后,采用4阶变步长Runge-Kutta法对高速机车齿轮传动系统动力学模型进行求解得到高速机车齿轮传动系统时间历程曲线和幅频响应曲线。定量给出齿轮内部激励、齿面间隙、轴承游隙等参数等对高速机车齿轮传动系统的影响,为齿轮的动态优化设计和齿面侧隙、轴承游隙等参数的合理选择提供理论基础。     

等高齿锥齿轮非线性振动特性的联合求解方法

齿轮重载啮合中发生的轮齿接触损失会引起齿轮传动中的动态传递误差,动态传递误差的存在是等高齿锥齿轮非线性振动的重要原因,准确预测和计算等高齿锥齿轮传动中的动态传递误差是进一步改善这类齿轮系统振动特性的有效手段。针对某重载等高齿锥齿轮,研究了其在一定运行速度和扭矩范围内的频率响应特性;运用一种新的曲面积分与局部有限元联合求解方法求解了等高齿锥齿轮传动中的动态传递误差,从而揭示出此类传动系统振动的强非线性特性。这种方法无需将时变拟合刚度和啮合频率变量等非线性因素作为外部的激励进行求解,而是从齿轮啮合的每一时步,计算动态啮合力以及动态传递误差,最终得出等高齿锥齿轮的非线性振动特性。该方法可以精确表达轮齿几何及轮齿接触力等因素对齿轮动力学性能的影响,为等高齿锥齿轮这类复杂振动特性的传动系统提供了一种行之有效的分析方法。     

二级圆柱斜齿轮系统耦合动态响应分析

应用集中参数法建立了一种计及时变啮合刚度、齿侧间隙、传动误差的二级圆柱斜齿轮传动系统弯－扭－轴－摆耦合动力学模型,推导并求解了传动系统的动力学微分方程组,得到了二级圆柱斜齿轮传动系统的动力响应。基于有限元法建立了箱体的动力学分析模型,在得到传动系统动态响应及轴承结合部动力学参数数值基础上,对箱体进行了动力响应分析。在将齿轮系统划分为传动系统与箱体两个子系统的基础上,实现了对整个齿轮系统的动力学分析。     

风电齿轮箱两级行星齿轮传动系统的非线性动力学特性

考虑风电齿轮箱两级行星轮系传动系统各齿轮副的时变啮合刚度、综合啮合误差和齿侧间隙等非线性因素的基础上,建立了广义坐标下增速齿轮箱两级行星齿轮传动系统的动力学模型,采用变步长Gill积分法对该模型进行求解;采用分岔图、相图、FFT频谱图、poincaré截面图及最大Lyapunov指数图分析了激励频率和啮合阻尼比对系统振动响应及分岔特性的影响。结果表明:系统在多种非线性因素的耦合作用下会表现出丰富的非线性动力学行为,随着激励频率的增大,系统在混沌运动、拟周期运动和倍周期运动之间切换和变化,且退出混沌的方式多为倒分岔;在保证系统传动效率的前提下适当提高系统的啮合阻尼比,能够明显弱化和抑制系统的混沌运动,减小其振动幅度,对提高系统的稳定性具有一定的作用。     

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。     

含齿面剥落缺陷影响的共轴对转轮系振动特性分析

针对某型无人直升机共轴对转主减齿轮箱设计,采用集中参数法建立该齿轮箱中多级斜齿轮传动系统25自由度动力学模型,模型中考虑了时变啮合刚度、轴承支承刚度、传动轴扭转刚度以及啮合误差的影响。分析了输入转速和高速级齿轮齿面剥落缺陷尺度、位置对传动系统动态特性的影响规律。研究表明,上下旋翼轴齿轮副动态啮合力波动较大,上旋翼轴齿轮副动态啮合力波动幅度是下旋翼齿轮副的1.7倍;随着转速增大,各级齿轮副动态响应中的2倍输入级啮合频率的幅值提升最显著;当高速级齿轮齿面出现剥落缺陷,啮合频率附近会出现边频带,振动冲击随着缺陷尺寸的增大而增大;在不同的缺陷位置中,位于双齿啮合区与三齿啮合区交界位置,缺陷产生的振动冲击幅值最大。研究结论为无人直升机共轴对转主减齿轮箱的减振降噪,故障诊断提供了理论参考。     

含磨损故障的齿轮传动系统非线性动力学特性

为揭示磨损故障对于齿轮传动系统非线性动态特性的影响,利用Archard和Weber-Banaschek公式分别计算了齿面动态累积磨损量和磨损齿轮对的时变啮合刚度。建立含有非线性齿侧间隙、内部误差激励和含磨损故障的时变啮合刚度的三自由度齿轮传动系统平移-扭转耦合动力学方程。采用变步长Gill积分方法对动力学模型进行了数值仿真分析,以系统的激励频率为分岔参数,计算系统的对应的分岔图;引入GRAM-SCHMIDT方法对系统的Jacobi矩阵进行正交化处理,计算系统的李雅普诺夫指数谱,同时结合Poincaré映射图和功率谱验证了李雅普诺夫指数谱和分岔图计算结果的正确性。通过研究发现了系统内部存在的丰富非线性现象,包括倍周期分岔途径、阵发性途径和多种拟周期通过锁相进入混沌的现象;在系统经由拟周期进入混沌的过程中发现了交替出现的拟周期与锁相现象以及拟周期运动时功率谱分量存在的Farey序列现象。研究结果表明含有磨损故障的齿轮传动系统具有非常复杂的动力学特性,而系统由周期运动进入混沌运动的途径也是丰富多样的。     

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。     

大型风电齿轮箱系统耦合动态特性的研究

综合考虑轮齿啮合时变刚度、齿轮传递误差、齿轮啮合冲击以及风载变化等因素影响,建立具有多级齿轮传动的大型风电齿轮箱的齿轮-传动轴-轴承-箱体系统耦合非线性动力学模型。对风电齿轮箱系统有限元模型进行耦合模态分析,运用模态叠加法对齿轮箱系统在内部激励与外部激励综合作用下的振动响应进行求解。将仿真结果与实验数据对比,进而得到齿轮箱各点振动位移、速度、加速度及结构噪声等系统动态评价指标,为大型风电齿轮箱动态特性的准确评价及齿轮系统动态性能优化设计提供理论依据。     

单级人字齿轮减速器振动噪声影响因素研究

本文以船用人字齿轮减速器为研究对象,依据人字齿轮传动结构特点,综合考虑齿轮时变啮合刚度、误差等激励以及人字齿轮轴向定位与滑动轴承支撑等因素,建立了传动系统弯-扭-轴耦合动力学模型,通过求解得到了传动系统轴承动载荷。以轴承动载荷为激励,采用FEM/BEM方法计算了齿轮箱噪声辐射,得到了齿轮箱声场声压分布云图与各场点噪声谱。系统讨论了人字齿轮基本参数(包括齿顶高系数、顶隙系数、齿宽、螺旋角及压力角)以及减速器结构特征（人字齿轮中间连接刚度、轴向定位刚度）对减速器振动噪声的影响,为减速器的减振降噪设计提供了理论基础。     

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.     

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。     

小角度空间交错轴变厚齿轮传动的啮合动态特性研究

为揭示小角度空间交错轴变厚齿轮副的时变啮合特性与非线性动态特性,在精确几何建模的基础上,建立了空间小角度交错轴变厚齿轮传动时变啮合模型,获取其时变啮合刚度与时变传动误差;考虑外部载荷与侧隙变化的影响,采用集中参数法建立了齿轮传动非线性动力学模型,对其系统非线性特征进行了仿真。结果表明外部载荷的增加直接导致了齿轮副啮合刚度、传动误差、动态传动误差和动态啮合力的增加,同时啮合刚度的增加使得系统共振频率增加;侧隙的增加使得系统在轻载下出现与单边、双边冲击耦合的突跳现象,在重载下双边冲击区域变大,动态啮合力增加。     

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.     

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。     

同轴对转行星齿轮传动系统动态特性分析

本文以同轴对转行星齿轮传动系统为研究对象,基于齿轮系统动力学和Lagrange方程,采用集中参数法建立了同轴对转系统的耦合动力学模型,模型中考虑了轮系的支撑刚度、弹性耦合和功率流向。在各个齿轮副的偏心误差、齿频误差和时变啮合刚度共同作用下,用数值分析方法得到了同轴对转系统的位移响应和速度响应等时域动态特性,并对比了定轴轮系与差动轮系的载荷分配,为同轴对转传动系统的动态性能优化与振动噪声研究提供了依据。     

考虑啮入冲击作用下减速器的振动噪声分析

以单级圆柱齿轮减速器为研究对象,综合考虑齿轮啮合过程中轮齿时变啮合刚度、误差及啮入冲击的影响,建立了传动系统动力学模型。以轴承动载荷为激励,采用FEM/BEM方法计算了减速器振动辐射噪声,得到齿轮箱声场场点的噪声谱,分析了啮入冲击对减速器振动噪声的影响;阐述了箱体辐射噪声的影响因素,对多工况下齿轮箱振动噪声辐射进行了计算,得到了噪声辐射随齿形误差及负载的变化规律,为减速器的减振降噪设计提供了理论依据。