斜齿轮时变啮合刚度改进算法及影响因素分析

在势能法基础上,基于切片积分原理,考虑齿根过渡曲线方程,提出一种改进的斜齿时变啮合刚度计算方法。该方法考虑了真实齿根过渡曲线参数方程,修正了渐开线齿廓的积分区间,与有限元方法的对比结果验证了算法的有效性,减小了时变啮合刚度的计算误差。在此方法基础上,分析了齿宽、螺旋角、齿数和模数对时变啮合刚度的影响。结果表明,时变啮合刚度均值受齿宽影响较大,近似成线性关系;受螺旋角、齿数影响较小;螺旋角增大,均值以较小幅度波动性变化;中心距一定时,齿数增大,时变啮合刚度缓慢增大;齿轮参数改变会影响重合度;轴向重合度为整数时,时变啮合刚度波动值较小。     

势能法计算剥落故障齿轮时变啮合刚度

剥落故障发生时,齿轮啮合刚度变化引起的振动响应特征是实现齿轮故障诊断的重要依据。针对剥落故障对轮齿时变啮合刚度的影响,提出将势能法应用于计算剥落故障齿轮时变啮合刚度的模型。分析了故障长宽厚参数对其时变啮合刚度的影响,得出沿轴向的宽度参数对啮合刚度下降影响最为明显,厚度参数影响最小;通过势能法中5要素对比,分析出赫兹刚度和基体柔性变形刚度是影响剥落故障时变啮合刚度的关键因素,为快速求解故障刚度提供新途径。     

考虑平移自由度的齿轮时变啮合刚度计算与分析

齿轮啮合过程中,其啮合刚度会受其相对位移的影响。基于势能法,针对理想渐开线直齿圆柱齿轮,通过考虑平移自由度对齿轮啮合中角度的影响,将平移自由度引入齿轮时变啮合刚度的计算中,提出一种考虑齿轮两个方向平移自由度的时变啮合刚度计算方法。分析齿轮时变啮合刚度最大值、平均值和重合度受齿轮相对位移方向、大小的影响。结果表明,时变啮合刚度对齿轮沿啮合线垂直方向的相对平移最为敏感,对齿轮沿啮合线方向的相对平移最不敏感;在啮合线垂直方向,齿轮在相对平移0. 1 mm的情况下,引起啮合刚度平均值变动0. 93%。     

考虑时变摩擦的直齿轮副啮合刚度计算及其影响因素分析

针对直齿轮副啮合过程存在时变摩擦问题,建立直齿轮副啮合模型,推导齿轮副在啮合点处的相对滑动速度、卷吸速度、滑滚比、综合曲率半径及轮齿接触压力,研究单双齿交替啮合过程中单齿承载变化下的齿面摩擦因数变化规律。基于势能法推导计及时变摩擦的直齿轮副啮合刚度解析式,分析无摩擦力、定摩擦力和时变摩擦力作用下直齿轮副啮合刚度的变化规律,进而研究时变摩擦作用下齿轮模数、齿宽、压力角、粗糙度、输入转矩等参数对直齿轮副时变啮合刚度的影响规律。研究结果表明,时变摩擦因数在单双齿交替啮合区发生突变,在节点处趋于0;摩擦力作用下单齿刚度在啮入阶段将增大,啮出阶段将减小;定摩擦力作用使啮合刚度在节点处发生突变;时变摩擦力作用使啮合刚度在单双齿交替啮合处发生突变,在节点处与无摩擦时变化规律一致;齿轮副啮合刚度随模数、齿宽增大而增大,随压力角增大而减小;啮合刚度变化量随齿面粗糙度增大而增大,随输入转矩增大而减小。     

增速齿轮副非均匀磨损时变啮合刚度研究

以某渐开线直齿圆柱增速齿轮副为研究对象,基于Hertz接触理论与Archard磨损公式,推导齿轮副齿面接触应力与相对滑动速度,建立齿轮副非均匀磨损模型,计算了不同循环次数下齿面磨损深度;基于势能法推导基圆与齿根圆不同位置下轮齿非均匀磨损时变啮合刚度解析公式,研究了非均匀磨损对时变啮合刚度的影响规律。研究结果表明,磨损深度在渐开线齿廓上分布不均匀,节圆附近的磨损最小,齿顶齿根处磨损深度较大,且齿顶处累积磨损深度最大;齿面磨损深度随循环次数增加而增大,齿轮时变啮合刚度随磨损深度增加而减小,且双齿啮合区刚度减小量大于单齿啮合区。     

基于势能法的两级斜齿轮系统时变啮合刚度计算与动态特性研究

针对多级斜齿轮动力学研究中的时变啮合刚度准确计算与其波动值定量分析等现实问题,以某电动汽车用减速器两级斜齿轮为研究对象,基于势能法计算不同螺旋角β下各级齿轮副的时变啮合刚度。首次提出由螺旋角等齿轮参数决定的参数τ,定量分析表明,当τ值越小时,时变啮合刚度波动值ΔK越小。建立包含12自由度的两级斜齿轮系统集参模型,研究不同螺旋角下系统的动态特性。结果表明,当β为15°时,系统各项动态性能均较好,此时各级齿轮副的τ和ΔK均较小,验证了通过参数τ准确预估ΔK进而预判齿轮系统动态性能的可行性与准确性。     

基于几何学和势能法的直齿轮副时变啮合刚度精确建模及应用

时变啮合刚度(TVMS)是齿轮系统动力学研究中的重要参数变量之一,准确地模拟计算TVMS,对分析齿轮传动系统的振动、噪声等相关动力学性能响应指标至关重要。根据渐开线齿轮的啮合运动方程和几何位置关系,提出一种基于几何学和势能法作用的直齿轮副TVMS精确建模方法;实时、有效地分析标准渐开线齿廓的啮合极限边界条件,并结合势能法构建TVMS由物理模型向数学模型转变的计算分析模型;通过数值计算法精确地计算直齿轮副的TVMS,并进行了有限元验证及举例应用。研究表明,在满足齿轮设计承载容许范围内,应合理选取齿宽和轴径尺寸,且可通过两者进行TVMS的小幅度调整而实现刚度优化作用和提高转子系统抗挠度性能等,为后期进行齿轮系统动力学计算作基础性应用研究。     

裂纹故障对轮齿时变啮合刚度的影响分析

针对裂纹引起齿轮时变啮合刚度(TVMS)减小这一现象,研究了裂纹故障对TVMS的影响规律。首先,构建了完整的轮齿齿廓曲线,基于传统势能法分析了相邻齿耦合效应对TVMS的影响,对TVMS计算公式进行修正。其次,采用有限元法确定了裂纹萌生点所在位置,提出了一种沿深度拓展的裂纹曲线,分析了裂纹深度对TVMS和负载分担比的影响,研究了裂纹同时沿深度与长度方向拓展的中早期故障模型。最后,构建了不同故障齿轮副模型,采用有限元法对裂纹沿深度结果进行验证,结果表明势能法与有限元法相吻合。     

基于改进势能法的直齿轮时变啮合刚度计算方法研究

以势能法为基础,将轮齿全齿廓分为渐开线部分和过渡曲线部分,提出一种改进的直齿轮时变啮合刚度计算方法。该方法考虑了齿根过渡曲线的参数方程,基于渐开线起始点半径、基圆半径和齿根圆半径的相对大小关系,建立了不同齿数情况下的轮齿模型,对渐开线齿廓部分的积分上限进行了修正,使得轮齿模型更为精确。对不同齿数情况下的轮齿时变啮合刚度进行计算,将改进前后方法的计算结果进行对比。结果表明,由于渐开线齿廓起始点半径和基圆半径不重合导致的计算误差会随着齿数的增加而增大;对于齿数相差较大的轮齿进行时变啮合刚度计算时,应根据齿数大小分情况进行啮合刚度计算;若用统一的轮齿模型进行计算,可能会带来较大的计算误差。参考有限元法计算结果,分析了误差产生的原因,验证了本文中所提方法的有效性。     

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.     

含齿根裂纹齿轮副时变啮合刚度改进算法

齿轮轮齿局部缺陷故障会通过改变齿轮副的时变啮合刚度进而影响系统振动响应特征。在基于齿廓普遍方程的能量法框架下,结合修正的轮齿拉压刚度,对精确全齿廓齿根裂纹故障齿轮副时变啮合刚度的求解进行系统讨论;针对不同故障参数对应的故障模型,详细地分类讨论,得出了各情况下相应的啮合刚度计算公式。以齿条刀加工的标准直齿轮为对象,研究新模型中齿根裂纹故障对轮齿拉压刚度的影响,为齿轮齿根裂纹故障的诊断机理研究提供基础支撑。     

剥落形状对齿轮啮合刚度及动力学特性的影响

传统的剥落齿故障研究主要探讨剥落齿在不同剥落深度和不同剥落宽度的情况下齿轮刚度变化,具有较大的局限。针对此问题,对剥落形状、剥落形状分布对齿轮刚度和动力学的影响进行了研究。首先,取剥落图形在分度圆上,在此条件下取不同剥落图形。然后,在传统势能法基础上,考虑齿轮啮合位置变化时剥落宽度变化,以此为基础求出不同剥落图形的刚度变化曲线;再结合动力学变化,对于不同故障振动加速度信号进行分析,说明剥落形状因素影响齿轮相关指标,使得剥落齿轮与正常齿轮难以判别,指标相互混叠。提出使用概率密度函数与峭度值相结合的方法,利用概率密度函数曲线判断齿轮故障状态。发现此种方法可以有效抵消形状因素对于指标的干扰,具备较高可行性及判别能力。     

剥落故障演变对直齿轮副啮合刚度的影响研究

作为机械装备中的关键传动机构,渐开线直齿轮在啮合传动过程中,受极端工况影响,轮齿表面极易引发剥落缺陷,改变齿轮副啮合刚度,严重影响其工作性能和传动效率.针对轮齿表面剥落形貌演变过程中的齿轮副啮合刚度,以拓展后边缘线与原矩形剥落边缘线夹角描述剥落故障演变,结合势能法构建了含剥落故障齿轮副的啮合刚度计算模型.结果表明,当齿轮副发生齿面剥落时,会使剥落区域参与的啮合区间啮合刚度减小,并且随着剥落参数的增大,齿轮啮合刚度减小趋势增大;当剥落区域沿齿轮副轴向中心面不对称时,齿轮易发生扭转变形而产生扭转刚度;同时,由于摩擦力存在,剥落区域边缘会进一步拓展,使剥落区域的宽度增大,导致齿轮副时变啮合刚度曲线变化的区间范围增大.     

齿轮时变啮合刚度改进计算方法

齿轮时变啮合刚度是齿轮系统动力方程的重要基础参数,针对目前时变啮合刚度主要利用有限元方式计算,效率偏低的问题,以及解析法石川公式仅考虑齿轮轮齿刚度,未考虑齿轮轮体刚度,容易在齿轮动力学分析中引入高次谐波激励的不足,本文在详细介绍解析算法石川公式中重要参数算法的基础上提出改进的石川公式,为齿轮动力方程提供一个整体意义上的时变啮合刚度计算方法。同时介绍了多齿啮合时齿轮综合时变啮合刚度的计算方法。     

扭矩波动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,它是一个具有时变系数的线性动力系统。用算符分解算法(AOM)研究了扭矩波动和时变啮合刚度对拍击门槛转速的影响。根据计算结果发现,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;低速端的扭矩波动对系统拍击门槛转速影响较小,而高速端的扭矩波动对拍击门槛转速影响较大;在大部分情况下,考虑时变啮合刚度的二次谐波分量后,拍击门槛转速稍有下降。     

基于Weber能量法的直齿轮时变啮合刚度数值计算

基于Weber能量法推导了直齿轮时变啮合刚度的数值积分公式,对于齿轮啮合点的确定,采用变增量、无限逼近的方法,采用这种方法可以很容易的求解出经齿廓修形后齿轮啮合点的位置,便于后续齿廓修形的研究,且通过改变增量的大小,可以将啮合点位置精度误差控制在10-4 mm内。并利用MATLAB计算出了某大功率风电齿轮箱一级行星轮直齿轮时变啮合刚度,为后续风电齿轮箱动力学分析奠定了基础。     

一种弧齿锥齿轮时变啮合刚度和传动误差半解析计算方法

弧齿锥齿轮时变啮合刚度传统计算方法大多采用有限元静态分析方法,但需计算多次,且采用节点弹性变形平均值计算的单齿啮合刚度存在较大误差。为此,改进了弧齿锥齿轮时变啮合刚度计算方法,在传统计算方法上引入单个节点啮合刚度,将工作齿面各个节点啮合刚度叠加,得到单齿啮合刚度,计算精度更高;基于有限元显式动态分析计算弧齿锥齿轮时变啮合刚度和传动误差,计算1次而不需要进行多次有限元分析,减少了整个计算时间周期。研究了不同负载转矩下时变啮合刚度和传动误差变化规律,分析了接触椭圆长轴长度、接触轨迹方向两个接触参数对时变啮合刚度和传动误差的影响。研究结果表明,时变啮合刚度和传动误差随负载转矩增大而增大,但时变啮合刚度峰-峰值和传动误差峰-峰值(PPTE)随负载转矩增大而变小;随着接触椭圆长轴长度增大,时变啮合刚度和传动误差呈增大趋势;随着接触轨迹方向增大,时变啮合刚度存在突增现象,而传动误差变化很小。     

基于全齿廓的行星齿轮点蚀故障时变啮合刚度计算模型

当齿轮产生点蚀故障时,其时变啮合刚度变化导致的振动响应特征是实现点蚀故障诊断的重要依据,而准确的齿轮几何模型对于齿轮时变啮合刚度的计算精度具有重大意义.推导了内、外啮合齿轮的齿廓方程,提出了基于全齿廓的行星齿轮点蚀故障时变啮合刚度计算模型,有效解决了简化模型中需要齿数判断和精度较差的问题,提高了行星齿轮时变啮合刚度计算...     

基于全齿廓普遍方程的齿轮时变啮合刚度改进算法

时变啮合刚度是齿轮系统振动信号的最主要内部激励源之一,更是故障诊断机理研究的核心参量。针对传统能量法在齿根圆和基圆不重合时存在的问题,提出了基于齿轮全齿廓普遍方程的齿轮时变啮合刚度精确算法;该算法建立了以滚动角φ为统一变量的高精度全齿廓啮合刚度积分公式,并依据齿条刀加工原理明确了滚动角的取值范围。基于新算法研究发现,不同参数下的齿轮副在完整啮合周期过程中,啮合力对轮齿的径向作用存在拉伸区间和压缩区间两种情况,故提出轮齿拉压刚度的概念以更准确地描述轮齿刚度的组成成分,并研究了拉压刚度的齿轮参数临界值。     

齿廓误差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。用算符分解算法（AOM）研究了齿轮啮合误差和时变啮合刚度对拍击门槛转速的影响。结果表明,时变啮合刚度和齿面误差可以导致拍击;齿轮啮合频率、或者齿面误差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;低速端的齿面误差对系统拍击门槛转速影响较小,而高速端的齿面误差对拍击门槛转速影响较大;齿面误差对拍击门槛转速的影响不仅与自身的变化频率、幅值大小有关,更重要的是与时变频率及其组合频率有关。