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...     

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%。     

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。     

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。     

考虑修形的斜齿轮系统非线性激励与动力学特性研究

斜齿轮的啮合刚度与轮齿误差的求解是三维空间问题,其修形后的啮合刚度计算方法不同于直齿轮,而传统解析方法在计算斜齿轮啮合刚度时没有考虑斜齿轮啮合线和啮合位置的三维空间位置,无法准确得到修形后的斜齿轮系统啮合刚度激励与误差激励。建立综合考虑齿廓修形和齿向修形的刚度与误差非线性耦合激励模型,研究不同齿廓修形参数与齿向修形参数对斜齿轮啮合刚度以及系统动力学特性的影响规律;以系统振动加速度幅值最小为优化目标,确定斜齿轮系统的最佳修形值,利用数值方法得到斜齿轮系统的振动加速度幅频响应曲线,研究结果发现:选取的最佳修形参数可有效降低斜齿轮齿数交替区啮合刚度的波动,大幅度降低共振点附近的振动加速度幅值;最后通过建立的齿轮传动系统实验平台进行系统动力学特性实验研究,验证了理论模型及分析结果的正确性。     

考虑实测基节误差的修形齿轮啮入冲击计算

为研究制造误差对齿轮系统啮入冲击的影响,给出一种考虑实测基节误差的齿轮啮入冲击算法。该算法基于考虑实测基节误差的轮齿接触分析(Tooth Contact Analysis,TCA)及轮齿承载接触分析(Loaded Tooth Contact Analysis,LTCA),准确算出齿轮连续啮合过程中每对啮合轮齿的实际啮入点位置;并根据LTCA得到的轮齿承载变形及载荷分配系数,计算出当前啮入齿对啮入点处的刚度;最后计算出以n个啮合周期为一个大周期的啮入冲击力(n为主、被动轮齿数的最小公倍数)。研究表明,在不同齿对的相对基节误差具有随机性的情况下,该算法可以准确算出每对轮齿的线外啮入点的位置,并相应算出不同位置的啮入点的刚度;该算法适用于具有修形齿面或误差齿面的齿轮系统,真实反映了实测基节误差对齿轮啮入冲击的影响。     

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。     

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。     

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。     

变双曲圆弧齿线圆柱齿轮修形设计及承载接触分析EI北大核心CSCD

为提高变双曲圆弧齿线(variable hyperbolic circular arc toothtrace,VHCATT)圆柱齿轮承载能力和改善其动态特性,提出齿面修形设计方法,即齿线方向的刀盘倾斜法和齿廓方向的抛物线修形刀刃法。首先,根据齿轮啮合原理和变双曲圆弧齿线圆柱齿轮修形齿面成形原理,推导修形齿面方程,利用软件MATLAB和UG实现齿面重构;其次,通过齿轮几何接触分析,计算齿面间隙,同时利用有限元法计算接触点柔度矩阵,进而建立承载接触非线性数学规划模型,获取轮齿承载啮合特性;最后,分析刀盘倾角、抛物线系数与抛物线顶点位置对修形齿面载荷分布与承载传动误差的影响。研究结果表明:取值合理的刀盘倾角和抛物线顶点位置可有效降低齿面载荷与改善系统承载传动误差特性;取值合理的抛物线系数可改善单齿和双齿啮合交替时的载荷突变情况。研究结果为变双曲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。     

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。     

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。     

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.     

Improvements to gearbox acoustics via thrust collars

Thrust collars relieve the gearbox housing of the axial force and tilting moments generated by helical gears. The different transfer path also reduces the vibration excitation of the housing due to meshing, which could lead to improved acoustics. This paper presents measurements of noise level reduction of an experimental gearbox. A gearbox dynamics simulation model is used to investigate the effects resulting from the inclusion of thrust collars.

     

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。     

Contact Pattern Analysis: Simulation of a Laser-Assisted Thermographic Approach

The contact pattern, defined as the area where gear teeth come into contact during their meshing, is a crucial quality feature of gears. If the size and location of the contact pattern are wrong, the gear meshing properties can be significantly affected (e.g., lifetime, noise). Despite several disadvantages, the so-called “paste method” is established as a method to analyse contact patterns. Here, a new measuring approach is examined using the Finite Elements Method (FEM). It is based on the heating-up of one tooth flank with a powerful laser, a subsequent partial transfer of the heat to a meshing tooth of the second gear wheel and finally capturing the heat distribution on that flank as an infrared image shortly afterwards. The thermal image should correspond to the contact pattern of that individual combination of teeth. A numerical analysis shows that at medium- and large-sized gears the achievable temperature increase will be high enough to be detected with modern infrared cameras.     

基于弹流润滑与动力学耦合的WN齿轮传动的强度设计

提出应用动力学与弹流润滑耦合原理进行WN (Wildhaber Novikov)齿轮强度分析的方法.依据振动学、油膜承载机理及其数值分析法,结合WN齿轮啮合原理,创建了该齿轮传动润滑与振动力学耦合分析模型.利用齿轮副的接触弹性和接触衰减描述轮齿弯曲载荷,考虑了啮合中同时啮合齿数变化对其刚度的影响,进行了啮合过程中多因素综合情况下的强度分析.计算分析与实验结果相符,为WN齿轮传动及其结构强度优化设计提供了参考.     

考虑齿距累积误差的人字齿轮系统动态特性分析

基于Timoshenko梁理论和有限单元法,引入时变啮合刚度和综合啮合误差,建立了人字齿轮系统动力学模型,研究了齿距累积误差对人字齿轮系统动态特性的影响。研究表明:齿距累积误差使动态传递误差出现显著的轴频成分和调制边频带。当负载扭矩较小时,边频成分大于啮合频率及其倍频成分,随着负载扭矩的增加,啮合频率及其倍频成分逐渐增强。当齿距累积误差相位不同时,人字齿轮系统将出现明显的轴向窜动现象。同时,齿距累积误差相位差对系统振动影响显著,通过调整相位差可以显著降低系统振动。研究结果可为人字齿轮系统低噪声设计加工与装配提供理论依据。