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。     

齿廓修形人字齿轮副时变啮合刚度计算方法

为准确计算考虑轮齿修形和受载变形的人字齿轮副啮合刚度,推导了含齿顶和齿根修形的人字齿轮齿面方程,基于势能法和数值积分公式,提出了计及齿廓修形参数和退刀槽宽度的人字齿轮啮合刚度精确计算方法,并通过有限元仿真分析验证了算法的正确性;而后分析了不同退刀槽宽度、修形参数及输入转矩等对人字齿轮副重合度和啮合刚度的影响规律。结果表明,单侧斜齿轮齿宽不变而退刀槽宽度增大,人字齿轮副啮合刚度增大;随着修形量和修形长度的增加,重合度和啮合刚度减小,而修形曲线阶次增大,重合度和啮合刚度呈增大趋势,但当修形曲线阶次高于四次时,啮合刚度变化不大;输入转矩增大时,重合度和啮合刚度先增大而后不再变化。     

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。     

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。     

齿面修形对人字齿轮啮合刚度影响分析与试验研究

为了准确地计算考虑轴向窜动的人字齿轮时变啮合刚度,建立考虑轴向窜动的人字齿轮轮齿承载接触分析模型,在此基础上推导考虑安装误差的人字齿轮轮齿综合啮合刚度,分析不同载荷下的啮合刚度变化特性;采用遗传算法对人字齿轮齿面展开以轮齿啮合刚度波动幅值为目标的齿面三维修形优化设计。以某单级人字齿轮副为对象的实例计算表明,考虑轴向窜动的人字齿轮副啮合刚度随着外载的增加而增加,且增长幅度随着载荷增加而减缓,最后刚度均值及其波形幅值均趋于稳态。搭建人字齿轮封闭功率流式试验台,给出利用高精度圆光栅对人字齿轮啮合刚度的测量方法,结果表明,理论计算与试验测量的人字齿轮啮合刚度随啮合周期变化波形基本保持一致,在给定负载下,最大偏差小于8.8%,且修形前后啮合刚度波动幅值变化趋势亦保持一致。     

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。     

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。     

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。     

基于齿根圆角圆心所在位置的时变啮合刚度修正模型

因接触齿对数的变化以及接触位置变化,将导致作为齿轮系统动力学的最重要的内部激励-时变啮合刚度发生变化。然而,目前的研究不能精确的采用解析模型来计算齿根圆与基圆之间的势能,将导致时变啮合刚度的计算误差。针对这个问题,基于势能法,提出了一个精确考虑齿根圆与基圆之间的势能的计算时变啮合刚度的解析模型,根据齿根圆角圆心所在位置,研究了不同参数条件下轮齿时变啮合刚度的算法,与有限元仿真结果的对比表明:提出的修正算法能更为精确地计算轮齿的时变啮合刚度,可减小解析法计算刚度的误差,为齿轮振动分析提供了一个新的途径。     

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%。     

基于齿根动应力的船用人字齿轮疲劳分析与优化

为了合理预估人字齿轮齿根动应力疲劳寿命,利用考虑啮合刚度激励、啮合冲击激励和齿面摩擦激励的十二自由度人字齿轮弯-扭-轴耦合动力学模型,同时考虑了参与啮合齿对之间的齿根应力关联性,并由此合理有效地计算出了人字齿轮齿根受拉侧的动应力变化趋势。通过对轮齿疲劳寿命机理分析,选取三种常用载荷工况下小轮齿根中点受拉侧动应力作为疲劳寿命计算对象,采用考虑应力幅值和应力均值双参数的雨流计数法,结合Miner线性累积损伤理论对人字齿轮受拉侧齿根弯曲疲劳寿命进行了预估。同时比较了考察啮合轮齿在进入啮合前其它齿对产生的反向压缩应力对疲劳寿命的影响。通过三维修形技术,对人字齿轮齿面进行了以综合载荷工况下齿根动应力疲劳寿命为目标的优化设计,优化结果表明修形后齿根动应力变化趋势平缓,疲劳寿命增加25%。     

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.     

新型少齿差减速器动态特性分析及实验研究

摘 要 针对某新型少齿差行星减速器,进行了不同啮合位置时的多体接触有限元分析,求得轮齿时变啮合刚度,采用动力接触有限元法计算齿轮啮合冲击激励,得出包括时变刚度激励、误差激励、啮合冲击激励的齿轮啮合内部动态激励。建立减速器的有限元动力分析模型,在综合考虑内部激励和外部激励的情况下计算了减速器的时域和频域响应及加速度级1/3倍频程结构噪声。利用振动测试分析仪对新型少齿差内啮合减速器进行测试分析,并与有限元计算结果进行对比,二者较为吻合。     

辐板刚度、阻尼及齿面摩擦对齿轮振动特性的影响

在考虑齿轮副时变啮合刚度、齿面摩擦、齿侧间隙及辐板刚度和阻尼的情况下,建立了齿轮传动系统的三维非线性动力学模型。根据啮合点位置推导出啮合刚度、齿面摩擦系数与时间的关系,并考虑了齿轮动载荷在各齿轮副之间的实际分配情况。针对强非线性变微分方程组求解困难的问题,提出了利用添加方程组维数的方法将变系数微分方程组转化成常微分方程组,并采用4~5阶自适应变步长的龙格库塔法求解微分方程组的数值解。系统地分析了辐板刚度、阻尼以及齿面摩擦对齿轮副和辐板振动性能的影响,为更深入研究齿轮的阻尼减振提供了理论基础和研究方向。     

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。     

Dynamic features of three-dimensional helical gears under sliding friction with tooth breakage

Mass eccentric and mesh stiffness variation induced by tooth breakage will change the dynamic features of helical gears. However, the internal excitation in helical gears under sliding friction with tooth breakage is seldom considered to reveal the dynamic features. In this study, the calculation method of mesh stiffness in helical gears with tooth breakage is proposed based on the time-varying contact line. A three-dimensional analytical helical gear pair model is developed by considering the mass eccentric and mesh stiffness induced by tooth breakage with sliding friction. The effects of tooth breakage on the dynamic responses of helical gears are performed. The results show that the amplitude modulation phenomenon emerged in the dynamic transmission error by considering the mass eccentric caused by tooth breakage. The oscillation of the dynamic response change significantly in the tooth breakage area, especially with the growth of the breakage size. Sliding friction plays a certain role in inhibiting the amplitude of the frequency. Tooth breakage results in the presence of rotational frequency and sidebands around mesh frequency and its harmonics. The rotational frequency increases significantly by considering the mass eccentricity due to tooth breakage defect.     

基于刚柔耦合建模的齿轮箱动力学仿真与实验研究

运用LMS Virtual.Lab建立了齿轮传动系统多刚体模型,通过仿真计算获得了齿轮副的时变啮合刚度,并与运用有限元法仿真计算得到的齿轮副时变啮合刚度进行了对比。考虑齿轮箱体柔性化,通过对刚柔耦合模型进行动力学仿真分析,在获取箱体Craig-Bampton模态的基础上,建立了箱体-轴承-齿轮耦合动力学模型。计算获取了齿轮副动态啮合力、齿轮箱体表面振动响应云图以及关键点的振动加速度、速度和位移,并开展了台架试验和验证分析。结果表明,运用刚柔耦合法仿真得到的齿轮啮合力以及齿轮箱体动态响应,其能量主要集中在齿轮啮合频率及其倍频处,运用刚柔耦合法仿真结果与实验结果在振动加速度以及振动位移方面有良好的一致性,验证了齿轮系统刚柔耦合模型的正确性。