功率分流式行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)建模及動(dòng)態(tài)特性研究.pdf

1、行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、傳動(dòng)效率高、承載能力強(qiáng)、傳動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶動(dòng)力、風(fēng)力發(fā)電及重型機(jī)械設(shè)備中。齒輪系統(tǒng)是多參數(shù)激勵(lì)系統(tǒng)，內(nèi)部激勵(lì)包括剛度激勵(lì)、誤差激勵(lì)等，是造成系統(tǒng)振動(dòng)的主要因素，而運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)及噪聲嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的可靠性及使用壽命，因此齒輪系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性研究是減振降噪的基礎(chǔ)。目前行星輪系的動(dòng)力學(xué)模型多為純扭轉(zhuǎn)模型或二維彎扭耦合模型，沒有計(jì)入各構(gòu)件的軸向振動(dòng)，對行星輪系進(jìn)行三維動(dòng)力學(xué)建模能更精

2、確地描述系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。功率分流式行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)具有兩級甚至多級同時(shí)承擔(dān)輸入功率的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，承載能力更強(qiáng)。對其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性研究，可為系統(tǒng)減振降噪及輕量化設(shè)計(jì)等提供理論指導(dǎo)。但由于系統(tǒng)的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜，內(nèi)部激勵(lì)因素多，其模型建立及動(dòng)態(tài)特性分析難度很大。
　　本文主要對單級行星輪系及功率分流式行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模及動(dòng)態(tài)特性分析。論文的主要研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:
　　建立了單級行星輪系的三維彎扭耦合動(dòng)力學(xué)模

3、型，該模型能夠描述系統(tǒng)的三維平移-扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)出了其非線性動(dòng)力學(xué)微分方程組，為功率分流式行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模奠定基礎(chǔ)。求解其特征方程，得到在三維彎扭耦合模型下，單級行星輪系的固有振動(dòng)模式可分為4類:剛體振動(dòng)模式、中心構(gòu)件軸向平移扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模式、中心構(gòu)件徑向平移振動(dòng)模式及行星輪振動(dòng)模式。分析了行星輪數(shù)目、壓力角及構(gòu)件質(zhì)量對固有頻率的影響，結(jié)果表明行星輪振動(dòng)模式的固有頻率值隨行星輪質(zhì)量的增大而逐漸減小，但不受中心構(gòu)件的質(zhì)量變化影響，其

4、他振動(dòng)模式的固有頻率值隨各構(gòu)件質(zhì)量的增大呈減小的趨勢;隨壓力角增大，僅第2階行星輪振動(dòng)模態(tài)對應(yīng)的固有頻率單調(diào)遞增，其他階次的固有頻率單調(diào)遞減或保持不變;隨行星輪數(shù)目改變，重根數(shù)為1，2的固有頻率單調(diào)變化，行星輪振動(dòng)模式的固有頻率值不變。
　　提出了基于實(shí)現(xiàn)功率分流提高多級行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)承載能力的設(shè)計(jì)機(jī)理。輸入功率分流使傳遞路徑分散，降低了行星齒輪傳動(dòng)構(gòu)件承擔(dān)的載荷。多級行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)由2K-H型差動(dòng)行星輪系及準(zhǔn)行星輪系組合而成

5、，功率由2K-H型差動(dòng)行星輪系太陽輪輸入，通過第一級差動(dòng)輪系的行星架及齒圈分流到第二級的太陽輪及齒圈，第二級差動(dòng)輪系再進(jìn)一步進(jìn)行功率分流，最后功率由準(zhǔn)行星輪系的齒圈輸出，實(shí)現(xiàn)了多級同時(shí)承擔(dān)輸入功率，結(jié)構(gòu)非常緊湊，滿足了小型化及輕量化需求。
　　建立了兩級功率分流式行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的三維彎扭耦合動(dòng)力學(xué)模型，能夠描述齒輪系統(tǒng)的三維平移-扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和行星齒輪傳動(dòng)的級間耦合的影響，導(dǎo)出了系統(tǒng)的非線性時(shí)變動(dòng)力學(xué)微分方程。運(yùn)用模態(tài)分析法進(jìn)行系統(tǒng)

6、固有振動(dòng)分析，兩級功率分流式行星輪系的固有振動(dòng)模式可分為5類:剛體振動(dòng)模式，兩級中心構(gòu)件軸向平移扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模式，兩級中心構(gòu)件徑向平移振動(dòng)模式，第一級行星輪振動(dòng)模式及第二級行星輪振動(dòng)模式。發(fā)現(xiàn)在功率分流式行星輪系中，中心構(gòu)件軸向平移扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模式及中心構(gòu)件徑向平移振動(dòng)模式必然存在級間耦合，而行星輪振動(dòng)模式與級間耦合無關(guān)。得出了各振型的代表性振型圖，運(yùn)用解析法證明了振型劃分的正確性及完備性。
　　研究了在三維彎扭耦合模型下單級行星輪系及兩

7、級功率分流式行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，發(fā)展了分析功率分流式行星輪系動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的多尺度法，導(dǎo)出了進(jìn)行分級模態(tài)坐標(biāo)變換后的廣義位移及系數(shù)矩陣，避免了級間運(yùn)動(dòng)耦合造成的求解困難，提高了計(jì)算效率及精度。得出了三維彎扭耦合模型下各共振模式的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)解析解，分析了影響單級與兩級功率分流式行星輪系動(dòng)態(tài)特性的主要因素，發(fā)現(xiàn)了兩者主要區(qū)別:與單級行星輪系相比，兩級功率分流式行星輪系的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性與兩級的嚙合剛度變化及輪齒分離情況均相關(guān)，且任一級的

8、嚙合頻率均可引起共振現(xiàn)象。區(qū)別于以往的解析法，該方法既能夠直觀地得出頻響函數(shù)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)參數(shù)對頻響函數(shù)的影響，又可分析穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)定區(qū)間等特性。
　　建立了N級功率分流式行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的三維彎扭耦合非線性動(dòng)力學(xué)模型，導(dǎo)出了多級三維耦合作用下的動(dòng)力學(xué)微分方程組，求解其特征方程，結(jié)果表明N(N＞2)級功率分流式行星輪系固有振動(dòng)可分為N+2類模式:整體中心構(gòu)件軸向平移扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模式、整體中心構(gòu)件徑向平移振動(dòng)模式、第一級行星輪

9、振動(dòng)模式(N1＞3)、第二級行星輪振動(dòng)模式(N2＞3)…第N級行星輪振動(dòng)模式(NN＞3）。運(yùn)用數(shù)值法分析了級間耦合剛度對固有振動(dòng)特性的影響。發(fā)現(xiàn)整體中心構(gòu)件徑向平移振動(dòng)模式對應(yīng)的固有頻率值隨級間耦合徑向支承剛度的增大而遞增，整體中心構(gòu)件軸向平移扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模式的固有頻率值隨級間耦合軸向支承剛度及耦合扭轉(zhuǎn)剛度的增大而增大，行星輪振動(dòng)模式與級間耦合剛度的大小無關(guān)。隨第i級行星輪系的嚙合剛度增大，重根數(shù)為1，2及Ni-3的固有頻率值呈增大的趨勢，

10、其他N-1種行星輪振動(dòng)模式的固有頻率及振型矢量不變。
　　建立了兩級功率分流式行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺。結(jié)合理論建模方式合理布置加速度傳感器及激振點(diǎn)，將實(shí)驗(yàn)固有振動(dòng)分析結(jié)果與理論分析結(jié)果對比，系統(tǒng)的前6階固有頻率基本一致，且測點(diǎn)位置的振動(dòng)特征與理論計(jì)算得到的振型特征較一致，由此證明了理論建模的正確性。在某些工況下對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)振動(dòng)信號進(jìn)行測試，結(jié)果表明系統(tǒng)的任一級都可能激發(fā)共振現(xiàn)象，在不同的輸入轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)發(fā)生以嚙合頻率為基頻的主共振