含裂纹齿轮传动系统动力学特性研究

为研究齿根裂纹扩展导致的啮合刚度变化对齿轮箱振动的影响,基于含裂纹齿轮系统动力学模型分析了齿轮传动系统的动力学特性。首先建立了渐开线直齿轮两级传动系统的集中参数模型;然后根据该模型,利用数值方法模拟了齿根裂纹的扩展过程,进而采用能量法求解不同裂纹尺寸的齿轮时变啮合刚度;最后将刚度激励作为齿轮系统的激励,代入传动系统集中参数模型,得到传动系统的动力学响应。结果表明:在含裂纹轮齿啮合过程中,齿轮速度级振动时域信号产生周期性冲击变化,而加速度级振动时域信号产生更剧烈的振动冲击;系统负载和转速主要影响动力学响应的幅值、周期和相位;不同故障形式导致齿轮的动力学响应的频率发生变化,主要体现在峰值、频带分布上。该研究结果有助于了解齿轮萌生疲劳裂纹并扩展时齿轮传动系统的动力学特性,为齿轮系统健康状况检测提供理论依据。     

含齿根裂纹的非标齿轮啮合刚度改进算法及动态响应分析

时变啮合刚度是齿轮系统动力学模型的参数激励,当齿轮出现齿根裂纹时,啮合刚度变化引起的动态响应特征是实现齿轮裂纹故障诊断的重要依据。以非标齿轮为研究对象,针对齿根裂纹故障对其时变啮合刚度的影响,建立考虑基圆与齿根圆不重合的变截面悬臂梁模型,提出利用改进势能法求解齿轮啮合刚度的计算模型,与原势能法和ISO 6336-1-2006进行对比分析,并计算齿顶高系数和顶隙系数改变时不同裂纹尺寸的轮齿刚度和齿轮时变啮合刚度;建立非标齿轮传动系统六自由度动力学分析模型,利用4-5阶Runge-Kutta数值法求解故障系统的动态响应。仿真结果表明改进势能法显著提高了非标齿轮时变啮合刚度的求解精度。齿根裂纹的存在使得非标齿轮综合啮合刚度明显减小,系统时域信号中存在周期性冲击响应,频域中出现调制边频带结构,这些均为齿轮系统故障诊断提供了理论依据。     

基于ANSYS workbench齿轮啮合刚度计算及动力学仿真

为了解决在齿轮动力学仿真中啮合刚度的时变性问题,在三维建模软件Solidworks中,通过渐开线参数方程建立了直齿圆柱齿轮装配体模型,将模型导入ANSYS workbench的瞬态动力学模块,用准静态的方法求出了综合啮合刚度,考虑齿轮的惯性效应以及轮齿摩擦力进行齿轮动力学仿真.结果表明,实际情况下综合啮合刚度与理论重合度计算的综合啮合刚度是不同步的.轮齿在进入和退出双齿啮合时振动加剧,轮齿的交替啮合产生冲击力,单齿啮合比双齿啮合振动强烈.     

考虑摩擦的磨损和修形齿轮啮合刚度计算

研究齿面偏差对齿轮啮合刚度的影响,对准确获得齿轮系统动态特性具有重要意义。本文基于改进能量法,提出了一个求解考虑齿面摩擦的直齿轮啮合刚度的完整模型。该模型通过齿廓的参数方程,实现考虑齿轮加工刀具圆角半径和齿面偏差对齿轮单齿啮合刚度的影响;通过齿形误差带来的齿间间隙和轮齿加载变形量的关系,求解出双齿啮合区齿轮副总刚度。分析了磨损齿轮和修形齿轮的啮合刚度、齿间载荷分配系数和传递误差。结果表明：齿面非均匀磨损量会显著降低双齿啮合区刚度并降低重合度,轻载条件下尤为严重;修形齿轮载荷大于修形设计载荷值时,修形效果不明显,而载荷小于修形设计载荷值时,可能出现刚度不足、重合度减小和加载传动误差显著增大等问题。     

润滑油对齿轮点蚀影响机理分析

通过将渐开线直齿圆柱齿轮的结构和受力特点引入赫兹（Ｈｅｒｔｚ）公式，定性分析了渐开线直齿圆柱齿轮齿面接触应力的分布状态。根据齿轮啮合原理，分析了相啮合齿轮齿面切向摩擦力的方向，从而推导出齿面疲劳裂纹的方向。通过对渗入疲劳裂纹内润滑油量的多少和润滑油能否被顺利排压出裂纹的分析，得出了齿根侧齿面将产生点蚀和润滑油的粘度对齿面疲劳裂纹的扩展和点蚀的形成有直接影响的结论，提出了选择润滑油的参考意见。     

人字齿轮系统齿根动应力计算与对比试验

为了准确地计算人字齿轮的齿根动应力,建立了考虑误差激励、时变啮合刚度激励、啮入冲击激励和齿侧间隙影响的人字齿轮传动系统十二自由度啮合型弯-扭-轴耦合动力学模型,提出考虑实时动载荷对齿间载荷分配系数影响的齿根动应力计算方法．以某船用人字齿轮副为实例进行的仿真计算结果表明:随着外载荷和输入转速的增加,人字齿轮传动系统齿根动应力最大值均呈增加趋势;由于齿侧间隙的存在,随着外载荷增加,齿根动应力的相对波动趋势经历了先减小后增大的过程．试验数据与数值仿真基本吻合,较准确地反映了齿根动应力的波动趋势．     

风电齿轮箱齿轮传动系统非线性因素影响分析

针对风力发电机齿轮箱在实际风场中工况复杂的问题,采用集中质量参数法建立了风电齿轮箱传动系统高速级齿轮滚动轴承耦合动力学模型,考虑了传动系统的综合啮合刚度、误差激励、齿面侧隙和轴承径向刚度等非线性影响因素,对1.5 MW风力机齿轮箱传动系统的非线性动力学模型进行了仿真计算分析.采用Runge-Kutta法对模型进行求解得到传动系统的时域波形和幅频响应.结果表明:较小齿面侧隙会使系统出现较大振动响应,随着齿面侧隙增大,系统振动位移减小,会导致系统从周期走向混沌响应;轴承游隙的存在使系统产生混沌响应,呈现出非周期的特征.     

EHL 下矿场用重载齿轮的喷丸及疲劳性能分析

弹流润滑（ＥＨＬ）条件下,石油矿场用大模数得载齿轮的承载能力得到提高,齿面接触人效与齿根弯曲疲劳断裂则成为其主要的失效形式,喷丸强化是改善齿轮表层种种缺陷的有交而简便的方法,喷丸产生的硬化层残余压力场和显微组织相变是提高齿轮接触疲劳强度的重要因素,从单齿弯曲疲劳,齿面接触疲劳,接触疲劳裂纹萌生与扩展,表层显微硬度,残余奥氏体情况,表层残余应力及亚组织结构等方面讨论了喷丸对齿轮接触疲劳性能的影响。     

双自由度半球型锥齿轮设计与接触分析

为了提供合理的一种双自由度半球型锥齿轮传动设计方法,基于双自由度啮合理论对该齿轮副传动进行研究.根据双自由度齿轮传动原理分析,建立冠轮与半球型锥齿轮共轭运动模型,基于双参数包络原理推导该锥形齿轮齿面方程.通过仿真计算获得齿面坐标数据,联合Pro/E软件建立几何模型.采用有限元方法对半球型锥齿轮副进行接触应力分析.研究表明:当相交轴夹角增大时,最大齿根弯曲应力与接触应力随之增大.     

准静态工况下斜齿轮裂纹扩展特性与寿命研究

齿轮的断齿行为通常由疲劳裂纹引起。为了研究齿根裂纹在齿轮传动过程中的扩展行为,基于线弹性断裂力学理论和有限元法,通过准静态工况下斜齿轮齿根裂纹的扩展轨迹,对裂纹扩展寿命进行了预测,并讨论载荷、裂纹初始角度、裂纹形状对初始裂纹应力强度因子的影响。结果表明：初始裂纹深度为0.2 mm,宽度为0.4 mm,沿齿宽方向扩展过程中达到一定长度时,裂纹开始沿齿顶方向扩展,直至裂纹扩展到失稳扩展阶段,预测裂纹扩展的循环寿命约为2.6×10⁶次;初始裂纹Ⅰ型应力强度因子与载荷成正比关系,而裂纹形状会改变沿齿厚和齿宽方向应力强度因子的扩展速率。     

含离合器的齿轮传动系统的拍击动力学行为研究

在考虑主动轴驱动转矩波动、齿轮副齿侧间隙及离合器间隙的情况下，建立了同时含有离合器间隙和齿侧间隙的齿轮传动系统(简称双间隙系统)拍击振动分析的集中质量模型。计算了不同激励频率下齿轮传动系统振动性态随着激励幅值的增大而变化的规律，并与仅含齿侧间隙的齿轮传动系统(简称单间隙系统)的情况作了比较。计算结果表明：双间隙齿轮传动系统的临界激励幅值(开始脱啮的激励幅值)随激励频率变化的规律与单间隙系统的情况类似，即当激励频率较小时，随着激励频率的增大，临界激励幅值减小，并在频率为固有频率的1／2左右处有极小值。但在同一激励频率下，双间隙系统的临界激励幅值仅为单间隙系统情况下的1／2左右，说明双间隙系统更容易脱啮。齿轮副和离合器系统在工作过程中会出现：①啮合；②时而啮合时而脱啮；③脱啮三种现象。由于离舍器间隙与齿侧间隙的相互影响，随着激励幅值的增大，双间隙系统会产生(D和②的交替出现，或者②与③的交替出现。而当离舍器和齿轮副分别处于②和③现象或者①与②现象时，系统有可能出现多周期振动或拟周期振动。     

含齿面分形啮合刚度的齿轮传动系统动力学

为研究考虑齿面分形特性的时变啮合刚度对齿轮-轴承系统的影响,用分形理论描述齿轮轮廓,采用Weber-Banaschek公式计算和分析不同分形维数D对齿轮时变啮合刚度的影响,将不同分形维数D下的刚度代入计及滑动轴承非线性油膜力、综合传递误差及齿侧间隙等因素的齿轮-轴承系统中,分析不同分形维数D下的刚度对系统动力学特性的影响.采用Runge-Kutta法求解系统动力学微分方程,得到系统响应的相图、Poincaré截面图、时域图、分岔图以及三维频谱图等.结果表明:随着分形维数D的增大,时变啮合刚度波动降低,系统趋于更加稳定的周期运动;相比含随机扰动的刚度,齿轮-轴承系统对于考虑齿面分形特性的齿轮啮合刚度的变化更加敏感,更能表现因齿廓变化导致的系统响应的变化;随着阻尼比的增大,系统会趋于相对稳定的单周期运动.     

基于阶次跟踪和角域平均的齿轮裂纹故障诊断

针对齿轮箱升速过程中振动信号非平稳的特点,将常规的阶次分析与时域平均技术相结合,提出了基于阶次跟踪和角域平均的齿轮箱故障诊断方法．该方法先对齿轮箱升降速瞬态信号进行时域采样,再对时域信号进行等角度重采样,转化为角域平稳信号,然后对角域重采样信号进行角域平均分析,就可提取齿轮的故障特征．通过对齿轮齿根裂纹故障实验信号的分析,表明该方法能有效地诊断齿轮的裂纹故障．     

齿轮齿根应力过程的计算——应力影响矩阵法

提出了一套计算齿轮齿根弯曲应力过程的方法,该方法通过一次性有限元计算,可求出齿轮在整个啮合齿面的应力分布状态,本文主要讨论齿面网格结点的应力影响矩阵。     

谐波齿轮传动的强度计算

与一般的齿轮传动一样,谐波齿轮传动的强度计算准则的建立取决于失效的形式。大量的使用实践表明,谐波齿轮传动的失效形式主要是: 1.谐波齿轮传动的啮合参数选择不当时引起的齿面的强烈磨损; 2.柔轮齿根疲劳裂纹扩展而引起的柔轮破坏; 3.波发生器轴承的损坏。本文仅讨论谐波齿轮的强度计算问题,关于波发生器设计中的一些问题将另文研究。     

考虑反向齿面啮合力的齿轮系统时变啮合刚度的研究

提出了反向啮合刚度的概念，给出了渐开线直齿圆柱齿轮系统反向啮合刚度的求解过程，推导出考虑啮合区间变动及啮合点沿齿廓不断变动情况下轮齿啮合刚度的计算公式，并应用Weber-Banascheck轮齿弹性变形计算公式给出了一对实际啮合齿轮的啮合刚度、反向啮合刚度与时间的关系曲线，该曲线准确地反映了齿轮啮合时的刚度变化情况．     

基于有限元的齿轮传动系统动力修改研究

建立了考虑轮齿啮合刚度的斜齿轮传动系统弯-扭-轴-摆耦合振动有限元模型,阐述了基于有限元的动态特性灵敏度分析及结构动力修改方法.对斜齿轮传动系统耦合振动有限元模型进行了模态分析,在此基础上对系统进行了动态特性灵敏度分析,提出了一种改善动态特性的齿轮传动系统动力修改方法,为结构动力修改理论在工程实践中的应用作了有益的尝试.     

双圆弧谐波齿轮传动柔轮齿廓参数的优化设计

“双共轭”啮合区间对提高双圆弧谐波齿轮传动扭转刚度和传动精度有重要作用,提出一种增大“双共轭”啮合区间的方法。综合利用分段函数和啮合不变矩阵建立柔轮齿廓弧长参数方程和理论啮合方程,可有效简化谐波传动理论共轭齿廓的求解过程。基于此,以缩小共轭齿廓间差异为目标建立优化目标函数,对柔轮齿廓分别以公切线倾角、公切线纵向长度和凹圆弧齿廓半径为自变量进行单参数及多参数优化设计。研究结果表明,该优化设计方法可实现柔轮齿廓参数的合理选择,保证谐波传动“双共轭”运动的精度。     

齿轮-轴系耦合系统振动特性有限元分析

以某机组齿轮传动系统为研究对象,根据转子动力学基本理论和齿轮啮合原理,建立了某齿轮传动系统的齿轮-轴系耦合系统振动有限元模型。分别对该系统未耦合齿轮转子系统和齿轮-轴系耦合系统进行了弯曲模态和弯扭耦合模态进行了对比分析,分析了啮合刚度对耦合转子临界转速的影响。在此基础上,对未耦合和耦合齿轮系统进行了不平衡响应研究。研究结果为齿轮-轴系耦合系统的动力学设计提供了一定的理论参考。     

低速工况下渐开线圆柱直齿轮齿面粘着磨损计算

针对低速工况车辆传动系统中齿轮磨损影响系统寿命问题,基于考虑齿面磨损的载荷分配系数模型和Archard磨损模型,提出了一种适用于渐开线圆柱直齿轮的齿面粘着磨损计算方法。通过与试验数据对比,验证了模型的有效性。进而研究了齿面载荷和磨损因数等因素对齿面磨损深度影响规律,仿真结果表明:渐开线直齿轮节点附近磨损量几乎为零;小齿轮齿根附近齿面磨损最为严重;单、双齿啮合交替区域齿面磨损量相对于其他位置有突变。本文提出的齿面粘着磨损计算模型可以为低速工况齿轮磨损寿命的预测提供理论基础。