基于增量谐波平衡法的人字齿轮副非线性频响特性分析

建立了考虑时变啮合刚度、恒定间隙、动态间隙、静态传动误差和外部动态激励的人字齿轮副扭转动力学模型,采用增量谐波平衡法分别求解了恒定间隙和动态间隙下系统的频响特性,用Runge-Kutta数值法对计算结果进行验证,分析了时变啮合刚度、阻尼、静态传动误差及外载激励对系统幅频特性的影响.结果表明,系统中不仅存在着主谐波响应,而且存在着超谐波响应;时变啮合刚度、静态传动误差对系统幅频响应有激励作用,阻尼对系统幅频响应有抑制作用,改变外载激励对系统幅频响应状态变化的影响不大;相比于恒定间隙,增加动态间隙幅值能进一步控制齿轮系统的非线性振动.     

齿轮传动系统的参数稳定性及振动特性分析

考虑齿轮时变啮合刚度与齿侧间隙,建立齿轮副系统动力学模型。利用Floquet理论推导了参数激励作用下齿轮系统的近似解析解,得到了系统的稳定性边界曲线。采用Newmark-β数值求解法对齿轮系统进行动力学仿真,研究了时变刚度、齿侧间隙、啮合阻尼对齿轮传动系统动力学特性的影响。研究结果表明:当参数激励的频率等于派生系统自由振动周期的2/n倍时,系统可能产生参数共振,随着参数激励频率的增加不稳定区域逐渐增大;齿侧间隙的存在则导致齿轮系统产生多值解和幅值跳跃等典型的非线性动力学特征;随着外部激励幅值和阻尼比增大及内部激励幅值的减小,齿轮系统的非线性振动特征逐渐减弱。     

齿侧间隙影响的人字齿四分支传动非线性特性

为了分析齿侧间隙引起的船用重载人字齿轮功率四分支传动的非线性问题,结合集中参数理论,建立综合考虑时变刚度、啮合阻尼、支撑刚度及阻尼、齿侧间隙等非线性因素的动力学模型。基于人字齿轮轮齿加载接触仿真分析,提出一种精确计算人字齿轮副的时变啮合刚度激励的方法,采用数值解法,得到齿侧间隙影响下的系统在无冲击、单边冲击和双边冲击状态的动载系数和振幅。结果表明:功率四分支传动系统具有复杂的非线性特性,对齿侧间隙量的变化较为敏感,齿侧间隙从0μm~150μm变化时,系统载荷由双边冲击到单边冲击变化,齿侧间隙当大于某临界值后,系统的动力学特性不再随齿侧间隙的增大而改变。揭示了人字齿功率四分支传动非线性动态特性的变化规律,为该系统的动态均衡优化设计奠定了理论基础。     

混合动力汽车齿轮传动系统的动力学分析

为研究某混合动力汽车齿轮传动系统的动力学特性,在考虑时变啮合刚度、啮合阻尼、齿侧间隙、轴承刚度、轴承阻尼、综合误差等非线性因素的基础上,建立了整个齿轮传动系统的平移扭转动力学模型,确认时变啮合刚度和相位角对系统固有频率的影响。基于研究结果,通过改变齿轮参数使系统的固有频率有效避开啮合频率,从而改善齿轮传动系统的振动特性。     

基于Simulink轮边二级减速系统动力学特性分析

以电动轮矿用自卸车二级轮边减速器为研究对象,对行星齿轮传动系统中的非线性因素进行分析。运用集中质量法建立纯扭转非线性动力学模型,并在推导构件相对位移基础上,运用牛顿力学方程得到运动微分方程,选取合适的坐标变换,获得系统的非线性统一微分方程,并采用刚体位移消除法,获得方程的无量纲数学模型。基于Simulink搭建二级减速系统非线性模型,结果表明:齿侧间隙、时变啮合刚度和综合啮合误差的存在使系统出现跳跃现象等典型非线性特征。齿侧间隙在车辆载荷较小时,是影响系统动力学特性的主要因素,而当载荷较大时,其对系统的动态特性影响很小;啮合刚度不能改变系统的冲击特性;齿轮副的传动误差最大幅值随着系统阻尼系数的增大逐渐减小,达到一定值时,其振动幅值的跳跃现象则消失。采用试验对理论分析进行验证,表明理论分析的准确性,可作为设计参考依据。     

基于谐波平衡法的复合行星齿轮传动系统非线性动态特性

为揭示多间隙作用下Ravigneaux型复合行星齿轮传动系统的非线性动力学行为,建立考虑时变啮合刚度、齿侧间隙与综合啮合误差的系统纯扭转强非线性动力学模型。将齿侧间隙非线性函数表达为描述函数的形式,运用谐波平衡法(Harmonic balance method,HBM)将方程组转化为非线性代数方程组,使用逆Broyden秩1法进行迭代求解,得到系统的基频稳态响应。通过改变时变啮合刚度、齿侧间隙与综合啮合误差的大小,分析参数变化对系统非线性动态特性的影响。研究发现,由于齿侧间隙的影响,系统动态特性曲线出现幅值跳跃与多值解等典型非线性特征,系统出现复杂的冲击现象;齿侧间隙、啮合刚度波动与误差波动的耦合使系统的非线性程度得以强化。基于描述函数的HBM法可用于求解更加复杂模型的基频稳态响应,为深入研究复合行星齿轮系统的动态特性提供了一种方法。     

间隙误差条件下辊轧机传动系统动态特性分析

基于齿轮系统动力学及非线性系统动力学理论,建立了考虑时变啮合刚度、综合啮合误差以及齿侧间隙等因素的叶片辊轧机传动系统的非线性动力学模型。采用数值积分方法对含间隙非线性微分方程组进行了求解,研究了齿侧间隙对辊轧机传动系统的动态特性影响。研究表明:齿侧间隙增大使系统由简谐振动进入混沌振动;传动系统啮合状态由双边冲击转为单边冲击,且间隙的增加对上轧辊一级齿轮-齿条以及二级齿轮-齿条啮合动态响应影响较大,对下轧辊齿轮-齿条啮合动态响应影响较小。     

轮边三级减速系统非线性动力学特性分析

以电动轮车辆新型行星齿轮传动三级轮边减速器为研究对象,对影响系统动力学特性的非线性因素进行分析。结合系统的结构特点,运用集中质量法建立纯扭转非线性动力学模型。并在推导构件相对位移的基础上,运用牛顿力学方程得到结构的运动微分方程。根据数学方程,基于Simulink搭建三级减速系统非线性分析模型,多级行星齿轮传动的齿轮副齿侧间隙、时变啮合刚度和综合啮合误差等均包含在模型中。结果表明:由于齿侧间隙、时变啮合刚度和综合啮合误差等因素的存在使系统表现出明显的非线性动力学特性,并在一定范围内使得振动响应更加复杂,跳跃现象更加明显;系统阻尼系数在一定范围内可以减小系统的振动振幅;新型三级系统较传统系统的振动幅度更大,变化频率更快,刚度、误差和阻尼的影响效果更明显;为此类研究提供参考依据。     

大型能源装置齿轮传动间隙非线性时变动力学分析

针对某大型能源装置齿轮传动系统,应用拉格郎日方程,建立了系统的非线性动力学模型,模型中考虑了齿轮副的啮合综合误差、时变啮合刚度以及齿轮的啮合间隙。用数值解法获得了在有间隙非线性时变的情况下系统的动态响应,利用时间历程、相平面、Poincare映射以及Fourier频谱分析了该系统的基本性质,并研究了该装置中时变啮合刚度对动态特性的影响。     

多啮频激励下的多级齿轮传动分岔与冲击特性

以行星轮系+两级定轴多级齿轮传动系统为研究对象,建立含齿侧间隙、时变刚度、综合传递误差、阻尼、连接轴扭转刚度因素的多啮频激励扭转非线性动力学模型,用数值法对系统无量纲动力学方程求解,获得系统的分岔、齿面冲击、脱啮占空比、齿背接触比响应图。研究表明：系统各级传动分岔特性因多啮频激励不同步而不同步,啮频激励和连接轴扭转耦合影响各级传动的振动强度;随连接轴的扭转刚度减小其前级齿轮传动的动力特性对后级传动的影响减弱;行星轮系内外啮合结构不对称对齿面冲击、脱啮特性产生轻微影响;行星轮相位差对系统非线性动力特性无影响。     

Nonlinear dynamics of a spur gear pair with time-varying stiffness and backlash based on incremental harmonic balance method

In this paper the incremental harmonic balance method (IHBM) is extended to analyze the nonlinear dynamics of a spur gear pair and some new results are obtained. At first the dynamical model of a spur gear pair is established, where the backlash, time-varying stiffness and static transmission error are all included. Here the time-varying stiffness and static transmission error are represented by the multi-order harmonic series through Fourier expansion. Based on the IHBM, the general forms of the periodic solutions for this system are founded, which is useful to obtain the solutions with arbitrary precision. And the difference between the frequency-response to the multi-order and single-order harmonic is analyzed. Then the effects of the multi-order harmonic on the kinds of the periodic solutions are also investigated by IHBM, and the comparison with the numerical solutions shows the validity of the proposed method. At last the influence of the damping ratio and the excitation amplitude on frequency-response curves is researched, which presents some useful information to analyze and/or control the dynamics of gear system.     

具有动态侧隙的齿轮传动系统动力响应分析

综合考虑动态侧隙、时变啮合刚度、齿轮偏心和传动误差等非线性因素,建立齿轮 转子 轴承传动系统的非线性动力学模型。以分形理论为基础,引用尺寸一致性的Weierstrass-Mandelbrot函数模拟动态侧隙的变化趋势。利用4阶龙格 库塔法对系统的非线性动力学微分方程求解,探究动态侧隙对系统响应的影响。结果显示：综合对比定侧隙系统和动态侧隙系统,齿轮在扭转方向上振动幅值的波动较大,动态侧隙系统由准周期运动渐变为混沌运动,并且与动态侧隙曲线的复杂程度有关;齿轮在扭转方向相平面的轨迹随动态侧隙的标准差(standard deviation,简称STD)呈现出规律性变化;在系统振动响应频谱中,随着动态侧隙曲线的复杂程度的加剧,频率成分多样性增强,噪声频率的幅值逐渐增加,高倍频的幅值激增。     

随机内外激励对齿轮系统动态特性的影响分析

考虑时变啮合刚度、齿侧间隙等因素的影响,建立了单对齿轮系统纯扭转非线性动力学模型。将齿轮综合传递误差波动和外部载荷作为随机变量,利用数值仿真方法对系统模型进行了求解,通过统计分析得到了系统各响应量和动态啮合力的统计特征。结果表明:外部激励的随机性对齿轮系统振幅和动态啮合力的影响比综合传递误差波动随机时明显;综合传递误差及外部激励随机波动离散程度的增加会导致系统振幅和动态啮合力不稳定性加剧。     

传动比对齿轮时变系统拍击门槛转速的影响

建立了具有时变啮合刚度的二级齿轮系统的动力学方程式。由于齿轮副啮合刚度的影响,动力学方程式代表了一个具有时变系数的线性动力系统。用算符分解算法(AOM)得到了系统的近似解析解,并研究了传动比和时变啮合刚度对拍击门槛转速的影响。根据计算结果分析,时变啮合刚度可以导致拍击;齿轮啮合频率等于派生系统的固有频率引起的共振是产生拍击的原因之一;增大从动齿轮的齿数、或者增大传动比,一般情况下,可导致拍击门槛转速下降;增大低阶模态阻尼,能够增大拍击门槛转速。     

齿轮系统动力学模型内部激励参数的优化设置研究

时变啮合刚度与齿侧间隙是齿轮传动系统的主要内部激励源,决定了齿轮系统动力学的基本特点和性质。啮合刚度的时变性影响齿轮系统的稳定性、引起系统的参数共振,齿侧间隙则引起系统强烈的非线特性。考虑时变啮合刚度、齿侧间隙等激励源,建立了齿轮系统非线性动力学模型,从模型参数设置合理性的新角度阐述时变啮合刚度、齿侧间隙对系统动态特性的影响。结果表明:在低速工运行况下,过度简化时变啮合刚度会扼杀由单双齿交替啮合而产生的振动冲击响应;此时齿轮处于单侧啮合状态,在建模时可以不考虑齿侧间隙的影响,以达到简化模型、提高求解效率的目的。而在较高速运行状态下,齿轮处于单边冲击或双边冲击状态,齿侧间隙引起系统强烈的非线性特性,建模时必须考虑齿侧间隙。     

间隙对含摩擦和时变刚度的齿轮系统动力学响应的影响

主要研究在考虑摩擦和时变刚度时,轮齿间隙对齿轮系统动力学响应的影响。建立常间隙、时变间隙和随机间隙三种不同的间隙形式。利用数值仿真的方法得到系统的幅频响应曲线和时间历程曲线。分析发现：①在低速时,随着摩擦因数的增大,系统响应的方均值和平均分量增大;并经过三次跳跃之后系统进入混沌运动状态;②时变间隙幅值增大导致系统提前进入混沌状态,而且随着时变幅值的增大跳转频率逐渐减小;时变间隙频率较小时,间隙对系统的影响较小;当时变间隙的频率较大时,系统在 =0.2,0.3时出现明显的共振响应,系统的响应以高频率分量4、5和6为主;③考虑随机间隙时,随着 的增大,齿轮系统响应的平均分量波动比较大。     

齿轮系统谐波共振的多尺度分析方法

考虑齿轮啮合动态刚度、传递误差、齿侧间隙等非线性因素,将时变刚度按5次谐波展开,齿侧间隙按3次多项式拟合,运用多尺度方法分析了单对直齿轮传动系统的谐波共振响应特性,讨论了系统在非共振硬激励下消去长期项的条件,给出了系统中存在的多种频率因子,发现了系统中存在2阶、3阶超谐波共振和1／2阶、1／3阶次谐波共振,推导了稳态振动下的频率响应方程,并绘制了频率响应曲线,分析了静态激励、动态激励、参数激励以及系统中阻尼对稳态响应的不同影响作用。     

含间隙和时变啮合刚度齿轮传动系统的分岔和混沌

齿侧间隙和时变啮合刚度的存在,使齿轮传动系统中存在着丰富的非线性动力学行为。基于Poincare映射,建立了两自由度齿轮传动系统的数学模型,并通过数值仿真,说明了齿轮传动系统中存在着倍周期分岔、Hopf分岔和混沌等复杂的非线性现象。分析了系统参数对齿轮动力学行为的影响,进而为消除齿侧间隙和时变啮合刚度引起的非线性动力学行为指明了方向,为齿轮传动系统的优化设计奠定了基础。     

含裂纹故障齿轮系统的非线性动力学研究

考虑时变啮合刚度、间隙非线性及传动误差的影响,针对试验齿轮箱中的单对齿轮传动建立齿轮副扭转振动的参数化动力学模型,对裂纹故障的非线性动力学机理进行研究。采用平均法分析齿轮裂纹模型的主共振及1/2亚谐共振的动力学响应;给出裂纹演化过程对齿轮系统啮合刚度及动力学行为的影响;通过幅频特性曲线、时域图、相轨迹图、Poincaré截面图及频谱图综合分析含有裂纹故障齿轮的振动特征;通过奇异性理论分析裂纹程度及传动误差所产生的内部激励与系统动力学分岔的关系,从而揭示了不同裂纹程度和传动误差所引起的不同分岔模式;最后通过试验提取含有裂纹故障齿轮的振动特征,试验结果验证了理论分析的结果,从而为齿轮系统裂纹故障的识别提供理论依据。     

考虑时变摩擦系数的微线段齿轮系统动态特性分析

结合微线段齿轮的啮合特性,将其啮合过程离散化,建立了微线段齿轮6自由度啮合耦合动力学模型,模型中考虑了时变摩擦系数、时变的基圆和压力角等非线性因素。采用数值积分法研究对比了渐开线齿轮和微线段齿轮在不同工况下的动力学响应,结合频谱图和分岔图分析了参数对微线段齿轮横向振动的影响以及摩擦系数对系统稳定性的影响,并通过试验对比微线段齿轮与渐开线齿轮在实际运转过程中的振动情况。结果表明,微线段齿轮相比渐开线齿轮振动更小,系统稳定性更好,在中高速重载下优势尤为明显。摩擦系数对于微线段齿轮的振幅影响较小,但是增大摩擦系数会使系统提前结束混沌响应。微线段齿轮箱在实际运转过程中的误差和振动更小,性能更好。