齿轮传动系统的动态模拟

针对齿轮副非线性振动问题展开研究,综合分析了啮合冲击激励、时变啮合刚度和误差激励对齿轮系统振动的影响。根据扭转啮合刚度定义,分别建立了无齿面缺陷和有齿面缺陷的齿轮三维接触仿真分析模型。计算了两种运行状态下,不同接触位置上的扭转啮合刚度。在进行齿轮副非线性振动的分析时,综合考虑了啮合冲击激励、时变啮合刚度和误差激励等非线性因素,建立了齿轮副非线性动力学模型,采用变步长四阶Runge-Kutta数值积分方法求解了系统的动态响应。     

考虑齿轮腹板柔性的齿轮-转子横向振动特征研究

航空用齿轮具有结构轻量化和低刚性的特点,在齿轮副内部激励作用下容易发生横向振动,研究航空齿轮横向振动固有特性对航空齿轮设计十分必要。考虑齿轮腹板柔性、轴承刚度、齿轮轮齿啮合柔性,利用转子动力学有限元软件Samcef建立齿轮-转子有限元模型,计算出高速齿轮转子系统的固有频率、振型以及临界转速。基于Timoshenko节点动力学模型,计算出高速齿轮转子系统的固有频率、振型以及临界转速。两种模型计算出的齿轮-转子系统固有特性进行对比表明:考虑齿轮腹板柔性的Samcef有限元方法,可以得到齿轮-转子系统齿轮横向振动的频率值及振型,没有考虑齿轮柔性的Timoshenko梁单元方法,不能得到齿轮横向振动的频率值及振型。     

多轴齿轮耦合转子系统的振动分析

以膨胀机子系统为研究对象,考虑静态传递误差,建立了斜齿轮啮合副动力学模型,同时考虑转子系统的影响,建立了三平行轴系齿轮转子系统有限元模型;对齿轮弯-扭耦合膨胀机子系统进行了不平衡响应分析,同时考虑轴承刚度、齿轮螺旋角对齿轮动态啮合力的影响。研究表明,膨胀机子系统因为齿轮的耦合振动而明显加剧,齿轮耦合使系统振型表现为耦合振型,因此必须以耦合的方式分析系统的振动特性;轴承处刚度及螺旋角对相对应的齿轮啮合处的动态啮合力影响很大,甚至使动态啮合力峰值发生了偏移,为转子系统轴承刚度的确定以及齿轮的设计都提供了较好的理论基础。     

基于LS-DYNA少齿数非对称斜齿轮动态特性分析

少齿数非对称斜齿轮作为一种新形齿轮,其体积小且承载能力强,而对其动力学特性尤其瞬时法向相对速度造成弹性接触冲击对齿轮传动系统的稳定性的影响研究较少。以弹性体接触-冲击动力学方程为基础,建立少齿数非对称斜齿轮有限元动态接触模型。在考虑摩擦和阻尼等影响的情况下,对动态齿根弯曲应力和动态传动误差进行研究。描述轮齿在一个啮合周期内的动态齿根弯曲应力的分布规律,对比斜齿轮副整个啮合过程的静动态齿根弯曲应力,同时还分析工况参数对齿根弯曲强度的影响。研究由于主从动轮接触点的瞬时法向相对速度差造成的弹性接触冲击,以少齿数非对称斜齿轮副的瞬时冲击过程为研究对象,分析不同转速时,不同的冲击位置(齿根、节圆和齿顶)对冲击力、冲击应力和冲击时间的影响,对比分析不同压力角的少齿数齿轮冲击应力的变化规律。     

基于有限元法的弧齿锥齿轮接触性能研究

弧齿锥齿轮在接触啮合过程中会产生啮合冲击和振动，基于有限元显示求解对齿轮副进行动力学分析，探究主动轮转速、加速时间等因素的改变对齿轮接触啮合性能的影响。根据从动轮角速度变化曲线及接触力变化曲线来确定齿轮的接触性能，以振动位移和振动加速度为响应，探究齿轮传动初期的啮合冲击。结果表明：主动轮转速、加速时间、惯性载荷等因素会影响齿轮的传动性能；主从动轮在轴向与径向表现的振动特性不同，轴向方向主动轮表现出更大的振动位移和振动加速度，径向方向从动轮表现出更大的振动位移和振动加速度。     

弧齿锥齿轮传动系统的耦合振动分析

基于集中参数理论，建立了弧齿锥齿轮的多自由度弯曲-扭转-轴向移动-扭摆等耦合振动的三维空间动力学模型。模型中考虑了传动轴和轴承的弹性变形以及齿轮的啮合刚度激励、误差激励和啮合冲击激励。在此基础上，对弧齿锥齿轮传动系统的动态响应进行了数值仿真分析，得到系统的动态响应。     

复杂多级齿轮-转子-轴承系统的动力学建模和数值仿真

以啮合线与水平线的夹角作为参考角度,总结了该参考角度在不同象限时沿着啮合线的相对位移的求解方法,根据此方法可以方便地求出多级齿轮系统的动态啮合力.建立了复杂多级齿轮-转子-轴承系统的动力学模型,模型中考虑了时变啮合刚度、静态传动误差、不平衡质量、轴承刚度和弹性轴的影响.采用数值仿真方法求解了系统的动态响应,得到了转频、啮合频率及其边频带、啮合频率之间的组合频率及其边频带.为工程实践中的多级齿轮-转子-轴承系统的振动特性分析和故障诊断提供了依据.     

考虑随机制造误差的风力机行星齿轮系统动力学特性

为研究综合传递误差的随机波动对风力发电机齿轮传动系统动力学特性的影响,考虑齿轮时变啮合刚度、综合传递误差等因素,建立风力发电机行星齿轮传动系统纯扭转动力学模型。以随机风速引起的齿轮系统转矩波动作为行星齿轮系统的外部激励,对某1.5 MW风力发电机行星齿轮传动系统的动力学特性进行仿真分析,得到系统各响应量时域内的统计特征和齿轮副间的动态啮合力统计特征。分析表明：行星架、行星轮和太阳轮在扭转方向上的振动特性与外部载荷相关,其振动位移与外部载荷波动有相似变化的趋势;综合传递误差随机分量的离散程度对行星齿轮系统的动态特性和齿轮副间的动态啮合力有较大影响。随着综合传递误差随机分量离散程度的增加,行星架、太阳轮和行星轮在扭转方向上的振动幅值明显增加;综合传递误差随机分量的随机性使齿轮副间动态啮合力产生随机波动,随机分量离散程度越大,动态啮合力波动越明显;当随机分量的离散程度达到某一值时,齿轮啮合过程发生脱离,引发啮合冲击。     

大齿宽齿轮耦合转子系统准静态接触分析及动态特性

将大齿宽齿轮沿齿宽方向进行切片并构建一系列非线性接触单元,根据各接触单元在转子上的位置将其与Timoshenko梁单元相耦合,建立了一种齿轮耦合转子系统多点啮合准静态接触分析模型,并首次提出了齿轮副广义传递误差的概念。通过求解静力学平衡方程组,得到齿轮副啮合错位量分布和齿面载荷分布。将齿轮副动态啮合激励引入系统动力学模型,求解考虑转子系统变形的齿轮系统动态响应。通过与有限元计算结果对比,验证了准静态接触模型的有效性。分析了支承布局形式、功率传递路径和负载扭矩对系统准静态及动态特性的影响。研究表明:不同支承布局形式下齿面接触状态和系统动态特性差异明显。不同功率传递路径下系统准静态和动态特性非常接近。不同负载扭矩下齿面接触状态非常接近,然而,随着负载扭矩的增加,啮合错位量逐渐增大,系统振动逐渐增强。     

齿背啮合机理及动态接触冲击研究

针对齿背啮合冲击引起传动效率、平稳性降低以及振动、噪声加大等问题,考虑齿轮误差、轮齿变形和齿侧间隙,研究齿轮啮合过程中齿背啮合机理。基于有限元动态接触模型,对齿轮啮合特性进行仿真,研究转速和负载对齿背啮合的作用效应。结果表明,一定的转速与负载下,出现轮齿正常啮合与齿背啮合交变;主动轮转速的增大会使齿背啮合冲击加剧,从动轮负载一定幅度内的增大会使得齿背啮合冲击有所减弱。齿背啮合发生时,正常啮合齿对的接触力在零与峰值之间振荡,实际齿轮啮合呈现"正常啮合-脱啮-齿背啮合-正常啮合"规律性的变化。该研究对于齿轮系统的减振与降噪设计具有一定的参考意义。     

超声红外热像技术中预紧力对金属平板振动特性的影响

在超声红外热像检测过程中,超声脉冲激励下被测对象的振动状态直接决定了缺陷区域的生热效果,而工具杆与被测对象之间的预紧力是影响被测对象振动状态的重要因素之一。试验结果表明:预紧力的增大使得振动能量呈上升趋势并伴随着小范围不稳定,同时被测对象的振动频谱由混沌振动开始,经历次谐波、准次谐波后达到超谐波振动状态。针对上述现象,采用显式动力学方法建立了与试验条件相对应的有限元模型,并进行了瞬态动力学分析。模型采用压电-力类比方法来模拟压电陶瓷的逆压电效应,同时引入了动态松弛来更准确模拟试验工况。仿真结果验证了试验观察到的现象,并进一步揭示了预紧力的增大将改变超声工具杆和被测平板之间的接触力状态,从而改变被测试件的振动能量分布和振动频谱。研究成果有助于实现通过预紧力来控制被测对象振动状态,进而达到优化超声红外热像检测的目的。     

单级齿轮传动系统有限元节点动力学模型及高速动态性能分析

研究用有限元节点建模方法建立考虑轴、齿轮转子陀螺效应的单级齿轮传动系统动力学模型,计算得到系统固有特性,与有限元软件和试验测量得到的结果进行对比,三种方法得到的系统固有频率具有一致性,验证有限元节点动力学模型有效性。由转子动力学稳定性理论计算得到系统的涡动临界转速等高速动态性能参数与响应特征,建立的齿轮轴系动力学模型为高速齿轮系统的设计及稳定性分析提供了基础参考。     

齿轮传动转子系统弯扭耦合振动研究

为分析齿轮传动复杂轴系的振动问题,根据有限元法和拉格朗日法,考虑陀螺效应、油膜支承等因素,得到了转子-轴承系统的弯扭耦合振动模型;在此基础上,根据齿轮副运动过程中啮合刚度和啮合阻尼的变化,得到了齿轮副系统的弯扭耦合振动模型。然后,根据齿轮副的实际排列方式,引入方位角,使得转子模型与齿轮副模型坐标统一化,并将其耦合到一起,得到了更加接近实际的齿轮转子模型,并且计算了其临界转速和振型。研究结果表明,耦合后转子的临界转速低于单转子的临界转速,齿轮传动对转子轴系振动有着明显影响。     

多平行轴齿轮耦合转子系统的振动响应

以一个两对斜齿轮耦合的三平行轴转子系统膨胀机子系统为研究对象,建立了斜齿轮啮合副动力学模型和转子系统有限元模型,考虑了齿轮啮合刚度、方位角、啮合角、螺旋角以及主动轴转动方向的影响,推导出齿轮啮合刚度矩阵。基于模态叠加法,对弯-扭耦合转子系统膨胀机子系统进行了固有特性分析和瞬态方式的不平衡响应分析,得到齿轮啮合前、后系统加载处的不平衡响应变化曲线。研究表明,齿轮间的耦合使系统之间的振动强烈,系统可能会在某个非固有频率处不平衡响应进行积累叠加,出现最大振动的现象,同时识别出共振峰的产生机理。齿轮耦合对转子系统动力学特性产生了很大的影响,使系统振型表现为耦合振型,必须以耦合的方式分析系统的振动特性,为防止系统发生大的振动提供依据,对齿轮系统的设计和故障分析具有指导意义。     

高速重载齿轮的有限元分析

利用有限元理论和数值分析方法，对高速重载齿轮系统在加载和离心力共同作用下的变形和强度进行了分析，研究了离心力对该系统的影响和动态响应。利用三维啮合弹塑性接触有限元方法对高速重载齿轮进行了接触强度分析，并基于热弹耦合进行了轮齿的修形计算，得到轮齿的理想修形曲线，为高速重栽齿轮动态设计提供了一种非常有效的方法。     

含柔性转子的齿轮-轴承系统动态特性分析

为了分析齿轮系统动力学中的全耦合振动,提出采用虚拟样机建模的方法,将柔性转子引入到啮合耦合系统中,考虑齿轮时变啮合刚度、齿侧间隙和轴承间隙的影响,建立齿轮-柔性转子-轴承系统虚拟样机模型,通过求解模型的动力学方程得到系统的非线性动力学响应。仿真结果表明:考虑柔性转子的耦合系统,啮合冲击峰值下降明显;转子柔性增加,齿轮低频扭转振动出现"拍"现象;高速轻载时啮合振动非线性特性增强;轴承间隙增大使啮合力振动幅值显著增大。     

Dynamic analysis of three-dimensional helical geared rotor system with geometric eccentricity

A dynamic model of a multi-shaft helical geared rotor system is presented. Rotating shafts of the system are modeled as Timoshenko beams. A general three-dimensional dynamic model of helical gear pairs with geometric eccentricity is developed for the gear mesh and bearing flexibility is included in the model as well. The transmission error and gear geometric eccentricity are simulated as excitations. Eigenvalue solution and the modal summation technique are used to predict the natural frequencies and forced responses of the system. Then two geared rotor system models are presented for validation of the gear dynamic model. It is demonstrated that the gear mesh model is effective for general geared rotor systems, spur and helical gears, one-stage and multi-stage systems. Finally, forced responses of an example system are analyzed to demonstrate the influences of the helical gear geometric eccentricity and the coupling between gear geometric eccentricity and rotor mass unbalance.     

齿轮啮合内部动态激励数值根据

把具有内部激励和时变刚度齿轮系统非线性微分方程变换为近似的线性微分方程,把时变刚度激励、误差激励、啮合冲击激励作为右端顶。时变刚度曲线用轮齿三维接触有限元方法求得,啮合冲击激励力用轮齿三维 冲击－动力接触有限元混合法求得。误差激励按精度等级确定的齿轮偏差进行模拟。把激励力作用在整个齿轮系统的三维有限元模型上,以便求得其振动响应。     

齿轮轴系弯扭耦合振动理论的统一

在研究齿轮轴系的弯扭耦合振动时,有两种常用的耦合模型,即力耦合模型和几何耦合模型。本文证明,这两种耦合模型以及基于这两种耦合模型构建的齿轮轴系弯扭耦合振动方程可以被统一到一个统一的模式中;几何耦合模型是力耦合模型的特例,几何耦合模型及基于几何耦合模型的齿轮轴系弯扭耦合振动方程可分别从力耦合模型及基于力耦合模型的齿轮轴系弯扭耦合振动方程中导出,从而大大方便和简化了用几何耦合模型构建齿轮耦合轴系弯扭耦合振动方程的过程。对这两种耦合模型进行的数值计算与分析表明,在进行齿轮耦合轴系转子动力学研究时,几何耦合模型和力耦合模型具有相同的效果,而且力耦合模型中齿轮啮合刚度的取值对计算结果几乎没有影响。     

Effects of different coupling models of a helical gear system on vibration characteristics

Time-varying mesh stiffness (TVMS) and the dynamic coupling between the helical gears have a great influence on the vibration characteristics of a helical gear rotor system. Considering the effects of TVMS and adopting two coupling models (lateral-torsional coupling model and lateral-torsional-axial-swing coupling model), the dynamic behavior of a helical gear system was studied. First, an analytical model was used to analyze TVMS of a helical gear pair where the helical tooth is simulated by many spur tooth slices along the direction of the tooth width and the mesh stiffness of each slice is calculated using the energy method. Then, considering the effects of the TVMS excitation, the finite element model of a helical gear rotor system was established. Gear mesh was simulated by the above-mentioned two coupling models to investigate the effects of coupling forms on the system vibration characteristics. The strain energy was used to distinguish the dominant mode and dominant shaft of a gear system in natural characteristics analysis. The results show that the full coupling model can analyze accurately the vibration characteristics of the system and the axial and swing motions cannot be ignored in vibration analysis. Finally, the effects of helix angle on TVMS and vibration responses of a helical gear system were also studied.