齿面三维修形对人字齿轮振动特性影响分析与试验研究

针对航空、航海等重要场合应用的高精度圆柱人字齿轮,提出对小轮齿面采用四次抛物线式三维修形,并以三次B样条曲线拟合包括修形和误差的精确齿面模型。综合考虑传动误差激励和啮入冲击力激励,建立滚动轴承支撑人字齿轮副啮合型弯-扭-轴耦合十二自由度振动模型,实例分析了齿面修形对人字齿轮齿间振动内激励因素的影响。选取承载传动误差波动幅值、啮入冲击力幅值以及轮齿啮合振动加速度均方根值作为多目标动力学优化函数;利用改进的自适应遗传算法对修形设计参数进行优化。结果表明:修形前后啮合线方向轮齿相对振动加速度均方根值降幅为20.42%,取得了较好的减振降噪效果。搭建封闭功率流式人字齿轮振动测试试验台,采用海德汉圆光栅对修形前后人字齿轮啮合线向振动加速度进行测量,理论计算与试验测量基本趋势保持一致,最大误差不超过14.5%。     

大型风电齿轮箱系统耦合动态特性的研究

综合考虑轮齿啮合时变刚度、齿轮传递误差、齿轮啮合冲击以及风载变化等因素影响,建立具有多级齿轮传动的大型风电齿轮箱的齿轮-传动轴-轴承-箱体系统耦合非线性动力学模型。对风电齿轮箱系统有限元模型进行耦合模态分析,运用模态叠加法对齿轮箱系统在内部激励与外部激励综合作用下的振动响应进行求解。将仿真结果与实验数据对比,进而得到齿轮箱各点振动位移、速度、加速度及结构噪声等系统动态评价指标,为大型风电齿轮箱动态特性的准确评价及齿轮系统动态性能优化设计提供理论依据。     

HGT准双曲面齿轮承载传动误差的优化设计

承载传递误差曲线的波动程度可反映出齿轮副的动态性能,波动幅值越大,噪音越大;波动幅值越小,噪音越小,传动越平稳。首先以局部综合法(Local Synthesis)为基础,并依据格里森准双曲面齿轮的加工原理,对HGT准双曲面齿轮进行了加工参数设计。在此基础上以传动比函数的一阶导数m'_21和接触迹线与根锥的夹角η_2为优化变量,以承载传动误差幅值最小为目标函数,通过遗传算法对加工参数进行优化设计,以提高齿轮副的动态特性。研究发现:①当大轮加载扭矩分别为800N·m和1500N·m时,优化后承载传动误差幅值分别降低了37.92%和16.57%;②为了保持齿轮副较好的振动特性,应使其尽量在局部最小幅值对应的载荷附近工作,且随着︱m'_21︱的增大,局部最小幅值向大载荷方向移动,说明要使齿轮副具有较小的承载传动误差幅值需要较大的载荷。     

高速齿轮传递误差和啮入冲击的激励模拟及齿面优化修形

为了减小高速齿轮的振动与噪音,针对齿面传统修形方法中未考虑重合度影响的情况,以及仅考虑减少传动误差幅值对于高速齿轮减振降噪效果不显著的情况,提出了一种考虑重合度的齿面新修形方法,和基于几何接触分析和承载接触分析的啮入冲击力计算方法。基于智能优化算法和提出的新修形方法,建立了以冲击力和承载传动误差幅值最小的优化模型,通过多目标优化得到相应的优化修形量。实例计算结果表明:与传统修形相比,新修形能够更有效的减小承载传动误差波动和冲击力。     

考虑修形的斜齿轮系统非线性激励与动力学特性研究

斜齿轮的啮合刚度与轮齿误差的求解是三维空间问题,其修形后的啮合刚度计算方法不同于直齿轮,而传统解析方法在计算斜齿轮啮合刚度时没有考虑斜齿轮啮合线和啮合位置的三维空间位置,无法准确得到修形后的斜齿轮系统啮合刚度激励与误差激励。建立综合考虑齿廓修形和齿向修形的刚度与误差非线性耦合激励模型,研究不同齿廓修形参数与齿向修形参数对斜齿轮啮合刚度以及系统动力学特性的影响规律;以系统振动加速度幅值最小为优化目标,确定斜齿轮系统的最佳修形值,利用数值方法得到斜齿轮系统的振动加速度幅频响应曲线,研究结果发现:选取的最佳修形参数可有效降低斜齿轮齿数交替区啮合刚度的波动,大幅度降低共振点附近的振动加速度幅值;最后通过建立的齿轮传动系统实验平台进行系统动力学特性实验研究,验证了理论模型及分析结果的正确性。     

等高齿锥齿轮非线性振动特性的联合求解方法

齿轮重载啮合中发生的轮齿接触损失会引起齿轮传动中的动态传递误差,动态传递误差的存在是等高齿锥齿轮非线性振动的重要原因,准确预测和计算等高齿锥齿轮传动中的动态传递误差是进一步改善这类齿轮系统振动特性的有效手段。针对某重载等高齿锥齿轮,研究了其在一定运行速度和扭矩范围内的频率响应特性;运用一种新的曲面积分与局部有限元联合求解方法求解了等高齿锥齿轮传动中的动态传递误差,从而揭示出此类传动系统振动的强非线性特性。这种方法无需将时变拟合刚度和啮合频率变量等非线性因素作为外部的激励进行求解,而是从齿轮啮合的每一时步,计算动态啮合力以及动态传递误差,最终得出等高齿锥齿轮的非线性振动特性。该方法可以精确表达轮齿几何及轮齿接触力等因素对齿轮动力学性能的影响,为等高齿锥齿轮这类复杂振动特性的传动系统提供了一种行之有效的分析方法。     

轮齿修形对斜齿轮传递误差影响的比较性分析

齿轮修形是改善齿面受力、减小传递误差,进而降低传动系统振动和噪声的重要措施。明确轮齿修形参数和齿轮副传递误差之间的映射关系,对于指导齿轮修形、改善传动性能具有重要的理论与工程意义。但由于齿轮传动系统具有复杂的非线性,理论上难以给出轮齿修形参数和传递误差之间的解析表达。以斜齿轮副为研究对象,以齿廓修形量和齿向修形量为自变量,分别运用响应面法和Kriging法拟合出齿轮修形量与动态传递误差波动量间的关系函数,据此进一步优化修形参数。在此基础上,以基于Romax的仿真结果为基准,对比了两种拟合方法的精确度。对比结果表明,在拟合齿轮修形参数与动态传递误差波动量间的关系函数时,Kriging法较响应面法具有更高的准确度。最后,分析了齿廓和齿向修形参数对动态传动误差响应的敏感度。结果表明,动态传递误差波动量对齿向修形量的变化更为敏感。     

面齿轮传动啮合刚度分析与修形减振优化

为准确求解面齿轮传动的啮合刚度,基于齿轮的承载接触分析(LTCA)技术,综合考虑变位、小轮偏置、齿面修形以及安装误差,提出了面齿轮传动啮合刚度计算方法,并验证了该方法的精确性。分析了负载、变位、小轮偏置和安装误差对面齿轮传动综合啮合刚度均值和波动幅值的影响,并将LTCA技术与遗传算法相结合,建立了面齿轮传动修形减振优化模型。研究结果表明:面齿轮传动综合啮合刚度幅值波动较大,存在阶跃突变现象,但波动幅值对负载、变位、小轮偏置和安装误差并不敏感,而综合啮合刚度均值受负载、小轮偏置和安装误差影响较大,且在3类安装误差中,轴夹角误差对综合啮合刚度均值影响最大;优化小轮修形参数后使综合啮合刚度的波动幅值大幅下降,从而可有效减小面齿轮传动的振动和噪声。     

降低斜齿轮噪声的对角修形优化设计

为了减小振动与噪音,提出以承载传动误差幅值、啮入冲击力与啮合线向加速度均方根最小的斜齿轮对角修形多目标优化设计方法：通过设计对角修形曲线,计算齿面网格节点修形量,经过3次B样条拟合为对角修形曲面并与理论齿面叠加构造了修形齿面,通过TCA、LTCA得到轮齿的承载变形,计算轮齿啮合刚度,并根据啮合冲击理论计算啮合力,建立斜齿轮振动模型,采用遗传算法确定了最佳修形齿面。通过算例表明：对角修形斜齿轮的啮入啮出位置发生了变化,啮入啮出端基本不承担载荷,承载后可以保持较高的重合度,因此在斜齿轮减振降噪中更为显著。     

考虑齿轮-转子系统振动响应的最佳修形曲线研究

轮齿修形可减小齿轮静态传动误差,改善齿轮动态特性。基于现有文献,考虑基圆与齿根圆不重合,在齿廓精确建模的基础上确定齿轮的时变啮合刚度和静态传动误差。针对不同修形曲线在不同修形量下齿轮静态传动误差的变化进行分析,给出了不同修形量范围内的最佳修形曲线,并结合齿轮-转子系统动力学模型,考虑齿廓修形引起的无载荷静态传动误差,分析不同修形曲线下系统的振动特性,进一步确定不同转速下最佳修形曲线。研究结果表明通过评估齿轮-转子系统的振动特性,可更好地确定不同转速下的轮齿的最佳修形曲线。     

风电齿轮箱两级行星齿轮传动系统的非线性动力学特性

考虑风电齿轮箱两级行星轮系传动系统各齿轮副的时变啮合刚度、综合啮合误差和齿侧间隙等非线性因素的基础上,建立了广义坐标下增速齿轮箱两级行星齿轮传动系统的动力学模型,采用变步长Gill积分法对该模型进行求解;采用分岔图、相图、FFT频谱图、poincaré截面图及最大Lyapunov指数图分析了激励频率和啮合阻尼比对系统振动响应及分岔特性的影响。结果表明:系统在多种非线性因素的耦合作用下会表现出丰富的非线性动力学行为,随着激励频率的增大,系统在混沌运动、拟周期运动和倍周期运动之间切换和变化,且退出混沌的方式多为倒分岔;在保证系统传动效率的前提下适当提高系统的啮合阻尼比,能够明显弱化和抑制系统的混沌运动,减小其振动幅度,对提高系统的稳定性具有一定的作用。     

某直升机主减传动系统振动能量传递特性研究

基于超单元方法和节点有限元法建立考虑轴系柔性和机匣柔性的齿轮-转子-机匣耦合系统动力学模型,推导了各类齿轮副的啮合关系,以直升机主减速器为研究对象,通过振动响应试验验证了模型的有效性。从振动能量的角度研究耦合和不耦合柔性机匣两种情况下,齿轮副作为振动激励源时系统模型中产生的多级齿轮激励现象和作为传递结构时对振动能量的传递特性。研究结果表明:耦合机匣后,各级齿轮振动能量贡献占比的极值点数量减少,与目标点相邻的齿轮激励源在该节点处振动能量贡献占比整体上升,不相邻的齿轮激励源在该节点处能量贡献占比整体下降;齿轮啮合刚度和啮合阻尼比的增加会提高齿轮副对振动能量的传递能力,啮合误差的增加会降低其对振动能量的传递能力,而耦合柔性机匣会放大齿轮啮合特性对其振动能量传递能力的影响。     

基于刚柔耦合建模的齿轮箱动力学仿真与实验研究

运用LMS Virtual.Lab建立了齿轮传动系统多刚体模型,通过仿真计算获得了齿轮副的时变啮合刚度,并与运用有限元法仿真计算得到的齿轮副时变啮合刚度进行了对比。考虑齿轮箱体柔性化,通过对刚柔耦合模型进行动力学仿真分析,在获取箱体Craig-Bampton模态的基础上,建立了箱体-轴承-齿轮耦合动力学模型。计算获取了齿轮副动态啮合力、齿轮箱体表面振动响应云图以及关键点的振动加速度、速度和位移,并开展了台架试验和验证分析。结果表明,运用刚柔耦合法仿真得到的齿轮啮合力以及齿轮箱体动态响应,其能量主要集中在齿轮啮合频率及其倍频处,运用刚柔耦合法仿真结果与实验结果在振动加速度以及振动位移方面有良好的一致性,验证了齿轮系统刚柔耦合模型的正确性。     

同轴对转行星齿轮传动系统动态特性分析

本文以同轴对转行星齿轮传动系统为研究对象,基于齿轮系统动力学和Lagrange方程,采用集中参数法建立了同轴对转系统的耦合动力学模型,模型中考虑了轮系的支撑刚度、弹性耦合和功率流向。在各个齿轮副的偏心误差、齿频误差和时变啮合刚度共同作用下,用数值分析方法得到了同轴对转系统的位移响应和速度响应等时域动态特性,并对比了定轴轮系与差动轮系的载荷分配,为同轴对转传动系统的动态性能优化与振动噪声研究提供了依据。     

多轴系耦合作用下齿轮系统转子裂纹故障的振动特性研究

为了探究多轴系耦合齿轮系统中的转子裂纹故障与单轴系转子裂纹故障振动响应特性的异同点,基于Jones轴承建模理论,建立滚动轴承的拟静力学模型;利用Timoshenko梁单元建立传动轴的有限元模型;考虑时变啮合刚度、齿轮传递误差、陀螺效应等因素,利用集中参数法建立齿轮副的动力学模型。将轴承、传动轴与齿轮副模型进行集成,建立齿轮系统非线性动力学模型;利用能量释放率理论与应力强度因子为零法分析裂纹转子单元的呼吸效应,利用Newmark-?数值积分法对转子裂纹故障进行动力学仿真,研究转子裂纹故障的振动响应特征。结果表明：与单轴系转子裂纹故障不同,当齿轮系统发生转子裂纹故障时,由于齿轮啮合的引起的耦合效应及转子裂纹引起的呼吸效应,时域响应表现出明显的幅值调制现象,频域中转频及其2倍频幅值增加明显,在啮合频率处伴有明显的边频带。研究结果为齿轮系统转子裂纹故障的监测与诊断提供了理论基础。     

高速列车谐波转矩振动分析及自抗扰控制

高速列车在实际运行过程中,当路面不平顺、车轮磨耗或者列车由明线运行到突然进入隧道均可能会引起转矩脉动,引起齿轮箱振动加剧。为研究谐波转矩波动幅值对高速列车牵引齿轮箱振动加速度的影响,建立考虑时变啮合刚度、啮合阻尼、啮合误差、齿侧间隙的齿轮传动系统与三相异步动态电机耦合的机电传动系统模型,在Simulink平台上分析牵引传动系统在谐波转矩幅值变化的工况下齿轮箱输入端振动加速度特性。结果表明,谐波转矩增大使齿轮箱振动加速度加大,且横向振动加速度增加最明显。耦合系统叠加混合型自抗扰控制器(ADRC)后,对谐波转矩引起的齿轮箱横向振动具有较好的抑制作用。     

双环减速器辐射噪声数值仿真及试验研究

以中心输入式双环减速器为研究对象,综合考虑齿轮内部动态激励以及环板不平衡惯性激励,建立了减速器传动系统及结构系统的动力有限元分析模型,应用ANSYS软件对双环减速器进行固有模态及动态响应数值仿真。以振动位移作为边界条件,建立减速器箱体的声学边界元分析模型,在SYSNOISE软件中用直接边界元法计算了箱体表面声压及场点的辐射噪声。利用传动系统试验台对双环减速器进行振动加速度及辐射噪声测试,并与数值仿真结果对比分析,两者吻合良好。     

纯电动汽车两挡变速器减振降噪研究

针对纯电动汽车两挡自动变速器在工作过程中存在的振动和噪声问题,通过建立变速箱-电机转子刚柔耦合动力学模型,对变速器系统进行传递误差、齿面接触应力等分析和计算。根据纯电动汽车的常用工况及其特点,以齿轮修形参数为优化变量,传递误差为主要优化目标,综合考虑齿面载荷分布以及齿面接触应力,在多工况下对齿轮进行修形。结果表明修形后达到了优化齿面载荷分布、提高齿轮使用寿命、减小振动、降低噪声的目的,实现了齿轮多目标优化。研究结果对纯电动汽车变速器的开发有一定的借鉴作用。     

基于齿轮传动系统横-扭-摆耦合非线性动力学模型的齿廓修形优化设计

基于齿轮传动系统动力学模型的齿廓修形优化设计可真实地反映修形参数对齿轮动态特性的影响。考虑几何偏心、陀螺力矩和齿向偏载力矩,建立了单级齿轮传动系统10自由度横-扭-摆耦合非线性动力学模型。提出了考虑齿轮实际运动状态并可适用于齿廓修形齿轮的啮合刚度模型,并采用解析法计算啮合刚度。为了降低齿轮传动系统的振动和噪声,以减小齿轮传动系统的动载系数为目标,建立了基于齿轮传动系统横-扭-摆耦合非线性动力学模型的齿廓修形优化模型。对某重载车辆齿轮传动系统进行了齿廓修形优化设计,优化结果有效的降低了齿轮的动载荷,可为设计低振动和低噪声的齿轮传动系统提供依据。