谐波齿轮啮合刚度的有限元分析

谐波齿轮啮合刚度计算是其动力学分析的基础。基于有限元加载接触分析原理,结合谐波齿轮的静态及动态接触特点,以单个轮齿啮入-啮出过程中的不同位置为研究对象,选取接触位置离散点,对各离散点的啮合数据进行提取分析,得到了单个轮齿不同啮合位置的单齿刚度曲线及综合啮合刚度曲线。并与已有研究成果进行了对比,验证了该方法的正确性,为研究谐波齿轮传动的动力学特性提供了依据。     

风电行星斜齿轮齿根裂纹对其时变啮合刚度的影响

以风电增速斜齿轮行星轮系为研究对象,运用非线性动力学理论和数值分析法计算齿根裂纹故障时斜齿轮副的时变啮合刚度。建立不同程度的齿根裂纹并分析其对斜齿轮时变啮合刚度的影响。经研究斜齿轮齿根裂纹分为贯穿性与非贯穿型,贯穿型裂纹在深度方向上用抛物线形式进行啮合,贯穿整个齿宽;非贯穿型裂纹在深度和齿宽方向上分别用抛物线拟合。共建立二十种不同形状的斜齿轮齿根裂纹。用刚度劣化率定量分析不同程度齿根裂纹对斜齿轮副啮合刚度的影响。分析表明：无裂纹斜齿轮副啮合时,时变啮合刚度是高低循环变化的,在高低变化之间刚度是线性递变。贯穿型裂纹比非贯穿型裂纹啮合刚度劣化更明显,单齿啮合时刚度劣化更为明显。裂纹在深度方向与宽度方向上延长相同百分比时,宽度方向上刚度劣化更明显。     

渐开线少齿差行星齿轮减速器动态接触仿真分析

首先通过SolidWorks建立了渐开线五齿差行星齿轮减速器的三维模型,运用ABAQUS有限元软件对齿轮副进行了在额定工况下的动态接触仿真分析,得到轮齿从进入啮合到退出啮合全过程的动态啮合效果,得到了啮合时轮齿的接触应力和von-mises等效应力;仿真分析了渐开线少齿差行星减速器在不同载荷下的重合度,并得出了其单齿啮合刚度曲线,根据线性叠加原理,得出了渐开线少齿差行星减速器在额定载荷作用下的时变啮合刚度曲线。     

基于有限元法的螺旋锥齿轮啮合刚度计算

螺旋锥齿轮啮合刚度计算是其动力学分析的基础,螺旋锥齿轮动力学分析中多用正弦或余弦级数对轮齿刚度曲线进行近似处理,进而影响动力学分析计算的精度.基于螺旋锥齿轮加载接触有限元分析原理,研究螺旋锥齿轮啮合刚度计算方法,给出使用有限元软件计算螺旋锥齿轮刚度的关键技术及前处理方法,应用有限元分析软件ABAQUS构建一对五齿螺旋锥齿轮模型并计算出法向接触力和综合弹性变形量,得到单齿啮合刚度和多齿综合啮合刚度,分析不同载荷对刚度曲线的影响,结果表明载荷的变化会对刚度曲线的幅值和周期产生较大的影响,在计算刚度曲线时需考虑载荷对重合度以及接触位置的影响,通过计算直齿轮刚度并和已有文献作对比验证了该方法的正确性,研究工作为螺旋锥齿轮动力学分析提供了基础条件.     

真实啮合状态面齿轮副时变啮合刚度计算及系统振动特性分析

为了获得面齿轮传动系统真实啮合状态的时变啮合刚度,提出一种能够综合考虑齿面修形和安装误差,运用面齿轮轮齿接触分析(TCA)及承载接触分析(LTCA)技术的时变啮合刚度精确计算方法。构建了面齿轮副的TCA和LTCA模型,采用有限元和数学规划的方法获得轮齿接触变形及齿轮啮合力,计算得到面齿轮副精确时变啮合刚度,进而研究了修形参数对面齿轮系统时变啮合刚度的影响规律;在此基础上,建立了考虑时变啮合刚度以及综合传递误差等内部激励的面齿轮传动系统动力学模型,仿真了精确时变啮合刚度激励下的面齿轮传动系统振动响应,为面齿轮传动系统的动态设计提供了理论参考。     

高重合度摆线内齿轮副时变啮合刚度计算与齿间载荷分配研究

高重合度摆线内齿轮副时变啮合刚度计算和齿间载荷分配是其动力学分析和强度设计的基础,由于是多齿啮合,齿间载荷分配非常复杂,属于静不定问题。结合现有文献,考虑了真实的过渡曲线和精确的轮齿建模,采用更为准确的齿面赫兹接触刚度计算方法,基于势能法建立了与摆线齿形相适应的单轮齿对啮合综合刚度模型,针对该齿轮副的传动特点,构建了其变形协调方程,提出了多齿啮合齿间载荷分配模型。为验证所建模型的正确性并提高仿真分析效率,在ABAQUS中利用Python脚本编程进行二次开发,实现了精确化建模、参数化分析和自动化操作,根据齿轮加载接触分析结果和基于有限元法的轮齿对受载啮合刚度计算方法,得到了不同负载转矩作用下单轮齿对、多轮齿对的啮合综合刚度和轮齿啮合力。对比表明,计算结果趋势吻合、数值接近,验证了建模分析的正确性,可为动力学分析和强度计算提供基础。     

基于有限元法的齿轮时变啮合刚度计算方法研究

目前,齿轮时变啮合刚度计算大多参考ISO实验值进行公式简化,该方法不能准确反映不同齿数齿轮啮合刚度的综合特性。针对此问题,利用APDL语言建立渐开线直齿轮的参数化有限元模型,通过接触分析得到轮齿接触位移值并计算刚度。该方法考虑了轮缘厚度对刚度的影响;通过最小二乘法得到直齿轮单齿刚度公式,并依此推导得到任意齿数啮合的时变啮合刚度公式;并与石川公式、势能法、Kuang方法对比,说明了各计算方法在计算时变刚度时的优缺点。将FEA公式与ISO计算单齿最大刚度的结果进行对比,验证了该刚度公式的可靠性。     

考虑齿厚偏差的圆柱齿轮副振动特性分析

为了研究齿厚偏差对圆柱齿轮副振动特性的影响规律,建立了考虑齿厚偏差的圆柱齿轮副啮合刚度和传递误差计算模型,分析了齿厚偏差对圆柱齿轮副啮合刚度和传递误差激励的影响;然后建立了考虑齿厚偏差的圆柱齿轮啮合副有限元模型,分析了齿厚偏差对圆柱齿轮副振动特性的影响。结果表明:随着齿厚偏差增大,齿轮副单齿啮合刚度降低,传递误差和啮合振动增大;随着螺旋角减小,齿轮副单齿啮合刚度逐渐降低,传递误差波动和啮合振动增大,同时齿轮副振动特性对齿厚偏差更加敏感;随着作用扭矩减小,齿轮副单齿啮合刚度降低,传递误差激励减小,啮合振动减小,同时齿轮副振动特性对齿厚偏差敏感性降低。     

直齿锥齿轮啮合刚度计算方法研究

针对直齿锥齿轮啮合刚度的计算问题,将其齿形转换成齿宽中点处的当量直齿圆柱齿形,再把当量齿轮的轮齿简化为齿根圆上的悬臂梁,通过能量法计算分析了单齿啮合刚度;基于位移容差的原理,进一步提出了齿轮时变啮合刚度计算模型;将其与有限元计算结果对比,并分析误差来源,完成了计算方法的验证.文中提出的计算方法不仅进一步丰富和发展了齿轮刚度的计算理论,对齿轮动力学的研究也具有重要意义.     

齿面摩擦和啮合刚度对双渐开线齿轮传动动态特性的影响研究

针对双渐开线齿轮传动动态特性问题,通过建立双渐开线齿轮的有限元模型,综合考虑齿面摩擦与齿轮啮合刚度二因素,对双渐开线齿轮传动系统进行了有限元模态分析,运用响应曲面法研究了齿面摩擦与齿轮啮合刚度对双渐开线齿轮振动变形和模态频率的影响;选取不同模态阶数对双渐开线齿轮传动系统进行了动态特性研究,分析了不同模态阶数下双渐开线齿轮的振动变形与模态频率变化状况。研究结果表明,随着齿面摩擦因数与齿轮啮合刚度的增加,不同模态阶数下双渐开线齿轮传动系统各阶振动变形与模态频率均显著增加,齿面摩擦与齿轮啮合刚度对双渐开线齿轮传动动态特性有一定影响,在对齿轮传动系统进行动态特性研究时,必须对齿面摩擦与齿轮啮合刚度进行充分考虑。     

基于解析有限元的齿根裂纹时变啮合刚度计算方法

当齿轮发生故障时,时变啮合刚度的变化能够反映齿轮故障特征大小。因此,时变啮合刚度在齿轮传动过程中是一个重要的动力学参数。提出一种新的齿根裂纹啮合刚度计算方法,即解析有限元法（Analytical-finite element method,A-FM）。考虑到齿轮发生故障时,啮合刚度解析模型计算精度较低,将应力强度因子引入裂纹齿轮的啮合刚度计算过程。首先定义应力强度因子与啮合刚度之间的关系,通过建立齿轮接触模型计算裂纹尖端附近的应力强度因子,然后将计算结果替代解析模型中故障刚度部分。由于应力强度因子能够敏感地识别齿根裂纹的局部微小变化,故该方法相比于解析法具有更高的计算精度,相比于有限元法具备更快的计算效率。同时,建立6自由度动力学模型,通过对其振动响应进行分析,仿真结果验证了所提方法的可行性。     

机器人关节裂纹传动系统机电耦合动态特性研究

服务机器人关节采用驱控一体化集成设计,并且传动系统采用小模数变位齿轮。关节频繁运动容易导致齿轮传动系统产生裂纹,裂纹引起刚度变化从而影响整个系统的动态特性。根据变位齿廓建立变位齿轮裂纹刚度计算模型,分别研究变位系数、多种裂纹形式对时变啮合刚度的影响;其次利用集中参数法构建了机器人关节机电耦合平移—扭转动力学模型,并将驱动电机的电磁特性、齿侧间隙等因素考虑入方程中;最后通过统计学分析裂纹对传动系统的影响。研究结果表明：正变位使刚度增大,负变位反之;双侧裂纹对刚度的影响明显大于单侧;随着裂纹加深,时变啮合刚度加速降低;随着传动系统级数的增加,裂纹对传动系统的影响逐渐减弱。研究结果为变位齿轮传动系统裂纹故障诊断提供理论基础。     

直齿轮轮齿双侧裂纹对其刚度影响的研究

齿轮副的时变啮合刚度(Time-varying meshing stiffness,TVMS)是机械动力学分析中一个极为重要的参数,其准确程度直接影响着动力学分析结果的准确性。首先,从理论角度推导了剪切刚度的计算公式,并在案例分析中应用,将求得结果与有限元分析结果进行对比,结果显示相差较小;然后,建立了一种新的裂纹故障模型——轮齿双侧非对称裂纹模型;在基于精确全齿廓的能量法基础上,推导了轮齿双侧裂纹模型的时变啮合刚度计算公式,分析了裂纹形状参数对时变刚度的影响;最后,通过有限元法(Finite element method,FEM)进行了分析验证。结果表明,有限元法和能量法计算的结果基本一致。     

三环传动的弹性啮合、载荷分配和强度计算

在考虑内啮合齿轮副齿廓理论间隙、轮齿弹性变形的基础上，建立了三环传动弹性啮合实际接触齿对数及各齿间载荷分配的理论分析模型，提出了在齿轮强度计算中计入弹性啮合效应系数的方法，并按照静强度校棱的方法考虑了制造误差的影响。通过实验间接验证了弹性啮合效应的存在。弹性多齿啮合可显著提高三环传动的承载能力。     

含侧隙齿轮副的动载荷分析

以振动理论为基础，提出一种考虑齿轮拍击振动的齿轮动载荷的数值计算方法。建立计算动载荷的齿轮冲击模型，在模型中考虑了齿轮正、反冲击时实际的啮合刚度，并给出啮合柔度的计算方法。分析在考虑静态传递误差、啮合刚度、侧隙、摩擦力及外部扭矩变化等多种激励时，作用在轮齿上的动态载荷以及整个齿轮上的综合动态载荷的计算公式。最后通过实例分析作用在轮齿上的动态载荷、综合动态载荷变化规律以及相关激励参数对动态载荷的影响。     

ESTIMATING SIZE OF GEAR TOOTH ROOT CRACK USING EMBEDDED MODELLING

This paper describes an embedded modelling approach for identifying gear meshing stiffness from measured gear angular displacement or transmission error. An embedded model integrating a physical based model of the gearbox and a parametric representation, in the form of truncated Fourier series, of meshing stiffness is established. A solution method is then used to find the meshing stiffness that minimises the discrepancy between model output and measured output. Furthermore, an algorithm is also developed to estimate the size of tooth crack from identified meshing stiffness. Both simulation and experimental studies were conducted to evaluate if identified tooth meshing stiffness can reveal a tooth crack more effectively, and if the crack size can be estimated with an adequate level of accuracy.     

单级行星齿轮非线性动力学模型与试验验证

针对单排行星直齿轮传动系统,提出了齿轮非线性啮合动态模型,模型中考虑了由中心距安装误差和传动轴弯曲变形等引起的中心距变化对啮合角、间隙和非线性啮合刚度的影响。考虑中心距变化和陀螺力矩并结合齿轮非线性啮合动态模型,建立了行星齿轮传动系统横-扭耦合非线性动力学模型。针对一个单排行星齿轮传统系统试验装置进行仿真计算和试验测试,试验对比分析了齿圈横向振动位移和内啮合均载系数。研究结果表明,仿真结果与试验结果的变化趋势基本吻合,且误差在可接受范围内,验证了笔者提出的渐开线直齿轮传动横-扭耦合非线性动力学模型和非线性动态啮合模型的正确性。     

基于热弹变形的圆柱齿轮理想修形曲线

提出一种求解圆柱齿轮理想修形曲线的方法，应用耦合热弹接触有限元技术，分析轮齿在齿间载荷分配、齿面压力分布、轮齿弹性变形、齿面摩擦、轮齿温度场、轮齿制造误差因素作用下齿轮传动的啮合刚度，尽可能真实地模拟运转过程中啮合轮齿的形态，确定轮齿的刚度变化规律，通过数值拟合寻求最佳修形参数，在此基础上，得到圆柱齿轮理想修形曲线。     

基于差齿面拓扑的轮齿承载拟赫兹接触分析

基于齿条曲面多项式与齿轮公切共轭产形原理,建立了数值齿面、差齿面ease-off模型;通过ease-off曲面映射,解析了齿面接触路径、传动误差、接触线等轮齿啮合特性信息。利用势能法、变形协调方程与拟赫兹接触分析解决了齿面载荷计算、边缘接触应力求解问题,获得了轮齿啮合刚度、传动误差、齿间载荷分担、载荷分布、接触应力等齿面啮合的时变历程特性。计算结果与第三方软件的计算结果具有较好的一致性。