大功率高速行星齿轮减速器啮合刚度计算研究

针对某NGW型大功率高速行星齿轮减速器,运用自编程序生成内、外啮合齿轮副的精确啮合节点坐标,结合三维建模软件和有限元计算软件,将各啮合节点坐标导入仿真环境下生成真实齿面上的各个有限元节点,通过依次在各啮合节点上施加单位载荷进行变形计算,提取各啮合结点的综合变形结果并组装得到内、外齿啮合齿面的柔度系数矩阵,进而得到各啮合齿面的啮合刚度.根据此减速器内、外啮合齿面在各啮合位置的啮合刚度值及齿面啮合周期内的啮合刚度波动规律,对减速器的齿轮参数选取的优劣做出判断.     

斜齿面齿轮齿面接触问题的有限元-线性规划解法

提出了一种基于有限元及线性规划计算斜齿面齿轮齿面接触区域载荷分布及啮合刚度的方法。建立了斜齿面齿轮齿面的数学模型,基于matlab实现其齿面及接触轨迹的可视化;基于有限元思想,并结合线性规划改进的单纯形算法,得到齿面接触区域各点载荷分配;根据接触区域平均变形量和载荷计算了啮合齿对的啮合刚度;计算了接触区域最大压应力,并与Hertz理论的计算结果进行对比,验证该线性规划算法的有效性。     

行星传动多体齿轮承载接触特性分析

根据行星齿轮功率分流传动的特点,提出多个齿轮接触的齿面加载接触分析方法。考虑了安装误差条件下的齿面准确几何形态,提出行星齿轮齿面几何接触分析(TCA)方法并获得外(内)各齿轮副的相对齿面间隙;通过一次有限元柔度系数计算获得各齿轮的柔度系数,各外(内)齿轮辐接触点的法向柔度系数通过分别插值太阳轮和行星轮(行星轮和齿圈)齿面网格节点的柔度系数并叠加获得;结合齿轮的几何分析与力学分析,将多个齿轮副受力接触转化为求解齿面有限个离散接触点的力学平衡问题,通过数学规划的方法求解非线性方程组得到加载后各齿轮副的齿面变形、啮合刚度、载荷分布、行星轮均载系数。多载荷传动误差和载荷分配进一步反映了行星传动啮合性能,为高性能行星传动齿面的修形设计、动力学分析奠定了理论基础。     

环面渐开线齿轮的啮合刚度分析

环面渐开线齿轮作为一种既可作平行轴传动,又可作相交轴传动,对安装误差不敏感的新型齿轮,其啮合刚度的研究是进行动力学分析的基础。基于数值计算法生成齿面三维坐标点,建立环面渐开线齿轮的三维实体模型;采用Hyper Mesh和ABAQUS软件对环面齿轮模型进行有限元前处理,包括网格划分、耦合约束、边界条件及载荷设置;分析齿面啮合点处的法向接触力及综合弹性变形量,根据计算公式拟合单齿啮合刚度与多齿综合啮合刚度曲线;分析比较转矩对环面齿轮重合度与时变啮合刚度的影响。     

斜齿轮轮齿接触有限元分析的新方法研究

提出一种新的基于斜齿轮啮合特性的有限元网格单元划分方法,使得啮合过程中接触线依次通过各单元节点,求解齿面柔度系数矩阵。建立斜齿轮轮齿接触分析模型,考虑参与及未参与啮合点的相互影响,通过引入边界条件及变形协调条件,建立及求解载荷平衡方程。计算一组斜齿轮副算例的时变啮合刚度、齿面变形及齿面载荷分布,且与按GB/T 3480—1997计算的啮合刚度进行对比,证明该方法的可靠性。     

直齿锥齿轮有限元映射网格自动生成与应力分析

直齿锥齿轮齿面的加工误差或者微米级的齿面的设计修形量就能改变了直齿锥齿轮的齿面啮合性能。因此,建立精确的齿轮有限元模型是准确分析齿面啮合性能的关键。进行研究了精确的直齿锥齿轮有限元映射网格的建立方法。通过建立齿面刨齿展成加工法的数学模型,精确计算齿面点坐标构造节点。在旋转投影面划分网格,并将其映射到齿面上构建六面体八节点单元,这种直齿锥齿轮轮齿有限元模型可通用于有限元分析软件。将建立的有限元模型信息导入到ANSYS中进行齿面应力分析,计算得到的齿根弯曲应力与经验公式对比,结果基本一致。     

基于现代分析技术对准双曲面齿轮进行加载接触分析

基于HFT法加工准双曲面齿轮的理论,建立了齿轮副加工坐标系,得到了齿轮副的齿面、突端和齿根过渡曲面方程。通过MATLAB软件计算出齿轮副齿面的离散点,导入UG建模软件生成含齿根过渡曲面的精确三维模型,截取三齿啮合模型后导入HpyerMesh,建立有限元模型,加载后再导入AN-SYS得到了啮合齿面的接触应力分布情况,为深入进行准双曲面齿轮的加载啮合性能分析奠定了基础。     

基于齿轮系统啮合错位量的修形优化分析

综合考虑齿轮箱、轴系的支撑变形及齿轮传动热变形,计算得到齿轮啮合错位量.利用有限元软件对齿轮箱进行受力分析,同时对齿轮副进行承载接触分析,通过力学原理及有限元节点法计算齿轮轴节点位移;计算齿廓接触线热变形量,并通过有限元热弹耦合作用,分析热变形对齿轮齿面接触位移变化的影响;对齿轮进行修形优化并对比了其实验结果.结果表明...     

基于有限元法的疲劳点蚀斜齿轮时变啮合刚度分析与试验研究

疲劳点蚀斜齿轮啮合刚度计算是齿轮故障动力学分析的重要基础.基于有限元的斜齿轮啮合刚度计算方法,建立了正常齿轮和疲劳点蚀齿轮的有限元模型.通过有限元模型计算,得到了齿面法向接触力和综合弹性变形量;并根据啮合刚度计算方法,得到了齿轮的单齿啮合刚度和多齿综合啮合刚度.分析不同点蚀剥落长度和宽度对齿轮啮合刚度的影响得知,剥落长度和宽度对齿轮啮合刚度影响较大;而且剥落长度会影响齿轮啮合刚度的变化区域.通过疲劳点蚀试验证明,齿轮啮合刚度的减小使得齿轮振动冲击响应增大.     

ANSYS精确建模的含齿形误差齿轮接触特性研究

应用有限元法考察了齿形误差对齿轮最大接触应力和啮合刚度的影响。基于齿廓方程在ANSYS中精确建立了理想齿廓齿轮有限元模型;基于移动节点的方法,建立了误差齿廓齿轮有限元模型。通过计算啮合周期内多个啮合位置有限元模型,得到了理想齿廓齿轮和误差齿廓齿轮最大接触应力的分布状态,分析了齿形误差对最大接触应力的影响程度;得到了理想齿廓齿轮和误差齿廓齿轮啮合刚度的分布规律,证明了齿形误差降低了齿轮的啮合刚度。     

齿轮传动啮合效率计算方法的研究

研究了齿轮传动中啮合效率的计算方法,推导出渐开线圆柱齿轮内外啮合传动的效率函数,证明了效率函数在啮合区间的连续性。基于连续函数积分中值定理,定义了齿轮传动啮合效率的积分形式,通过积分运算得到了渐开线内外齿轮啮合效率的计算公式,并从理论上证明了效率公式的正确性。结合数据计算结果的图表分析,进一步验证了效率公式的有效性。     

斜齿圆柱齿轮啮合刚度的一种简化计算

从直齿轮和斜齿轮数学模型的相似性方面入手,提出一种在已知直齿轮啮合刚度的基础上,确定相应斜齿轮啮合刚度的方法。     

内啮合斜齿轮高精度三维有限元自动建模方法

为提高内啮合斜齿轮有限元接触分析的建模速度和模型精度,提出了一种齿轮高精度三维有限元模型的自动建模方法。基于齿轮插刀齿廓方程,利用齿廓法线法,得到包括齿根过渡曲线的内、外斜齿轮端面齿廓,建立了内、外齿轮参数化粗网格有限元模型。开发了表层六面体网格剖分方法,自动识别齿面接触带单元,进行分级剖分细化,保证了有限元模型的建模精度和网格密度。进行了齿面接触分析,得到了内啮合斜齿轮的弯曲应力、接触应力、接触印痕、传动误差、时变啮合刚度和载荷分配率。粗细网格有限元模型计算结果对比分析表明,该方法提高了内啮合斜齿轮有限元建模效率和计算精度,缩短了计算时间,为快速准确的齿轮接触分析奠定了基础。     

非圆行星轮系的等距条件

本文把外啮合非圆轮传动的瞬心线封闭条件推广应用到内啮合非圆齿轮传动的瞬心线封闭条件,并进而研究了非圆行星轮系的同心条件。与现有的非圆行星传动相比,本文的非圆行星轮系的非圆行星齿轮同时满足同心条件和等距条件,故可同时与内外非圆中心轮啮合。而不须采用双连非圆齿轮。     

非圆行星轮系的等距条件探讨

把外啮合非圆齿轮传动的瞬心线封闭条件推广应用到内啮合非圆齿轮传动的瞬心线封闭条件，并进而研究了非圆行星轮系的同心条件。与现有的非圆行星传动相比，这里的非圆行星系的非圆行星齿轮同时满足同心条件和等距条件，故可同时与内外非圆中心轮啮合，而不须采用双连非圆齿轮。     

基于指数窗截取递推最小二乘法的齿轮啮合刚度辨识算法研究

齿轮在机械传动系统中有着广泛应用,由于齿轮啮合过程中参与啮合的轮齿对数周期变化,因此,齿轮啮合刚度为时变参数,在啮合时会产生啮合振动。当齿轮副出现齿根裂纹时,啮合刚度会减小,齿轮啮合产生的系统振动响应也发生改变,通过振动响应辨识齿轮啮合刚度能够监测齿轮副的健康状态。针对齿轮啮合刚度的时变特征,提出了基于指数窗截取递推最小二乘(Exponential window recursive least square,EWRLS)算法和振动信号瞬时频率的齿轮啮合刚度辨识方法。进行啮合刚度辨识时,EWRLS算法将输入、输出齿轮的转速曲线分别作为辨识输入信号和观测信号,使用指数窗函数进行数据截断,使用递推最小二乘算法估计系统参数。为了计算输入、输出齿轮的转速曲线,使用经验模态分解(Empirical mode decomposition,EMD)方法将振动信号分解为具有不同变化频率的本征模态函数(Intrinsic mode function,IMF),并根据IMF的平均频率重构输入、输出齿轮的特征信号。通过Hilbert变换计算特征信号的瞬时频率曲线,从而获得各齿轮的转速曲线。使用仿真和实测信号对算法进行验证,结果表明,EWRLS算法能够辨识齿轮副的时变啮合刚度。     

变载荷激励下风电行星齿轮系统动力学特性

为了更准确地分析风电行星齿轮系统的动力学特性,在同时考虑风速变化和发电机电磁转矩变化引起的外部载荷激励,齿轮时变啮合刚度、轴承时变刚度以及行星齿轮啮合相位差等引起的内部激励的条件下,建立了风电行星齿轮系统的动力学模型。在此基础上,采用Runge-Kutta数值积分方法求解了某兆瓦级半直驱风电行星齿轮系统的动态响应,分析了上述激励对系统动态特性的影响规律。结果表明：外部变载荷的激励使系统的响应频率具有明显的低频成分,各构件的扭转振动位移与外部合力矩有相似的变化趋势;行星轮啮合相位差的激励使系统的结构频率成分增多且频率减小,增加了系统共振的可能性;轴承时变刚度使系统的高阶响应频率产生较大波动,增加了系统动态响应的复杂性。
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Elastodynamic analysis of a gear pump. Part I: Pressure distribution and gear eccentricity

A non-linear lumped kineto-elastodynamic model for the prediction of the dynamic behaviour of external gear pumps is presented. It takes into account the most important phenomena involved in the operation of this kind of machines. Two main sources of noise and vibration can be considered: pressure and gear meshing. Fluid pressure distribution on gears, which is time-varying, is computed and included as a resultant external force and torque acting on the gears. Parametric excitations due to time-varying meshing stiffness, the tooth profile errors (obtained by a metrological analysis), the backlash effects between meshing teeth, the lubricant squeeze and the possibility of tooth contact on both lines of action were also included. Finally, the torsional stiffness and damping of the driving shaft and the non-linear behaviour of the hydrodynamic journal bearings were also taken into account. Model validation was carried out on the basis of experimental data concerning case accelerations and force reactions. The model can be used in order to analyse the pump dynamic behaviour and to identify the effects of modifications in design and operation parameters, in terms of vibration and dynamic forces.Part I is devoted to the calculation of the gear eccentricity in the steady-state condition as a result of the balancing between mean pressure loads, mean meshing force and bearing reactions, while in Part II the meshing phenomena are fully explained and the main simulation results are presented.     

Elastodynamic analysis of a gear pump. Part II: Meshing phenomena and simulation results

A non-linear lumped kineto-elastodynamic model for the prediction of the dynamic behaviour of external gear pumps is presented. It takes into account the most important phenomena involved in the operation of this kind of machines. Two main sources of noise and vibration can be considered: pressure and gear meshing. Fluid pressure distribution on gears, which is time-varying, is computed and included as a resultant external force and torque acting on the gears. Parametric excitations due to time-varying meshing stiffness, the tooth profile errors (obtained by a metrological analysis), the backlash effects between meshing teeth, the lubricant squeeze and the possibility of tooth contact on both lines of action were also included. Finally, the torsional stiffness and damping of the driving shaft and the non-linear behaviour of the hydrodynamic journal bearings were also taken into account. Model validation was carried out on the basis of experimental data concerning case accelerations and force reactions. The model can be used in order to analyse the pump dynamic behaviour and to identify the effects of modifications in design and operation parameters, in terms of vibration and dynamic forces.Part I is devoted to the calculation of the gear eccentricity in the steady-state condition as result of the balancing between mean pressure loads, mean meshing force and bearing reactions, while in Part II the meshing phenomena are fully explained and the main simulation results are presented.