行星輪系齒輪嚙合非線性激勵(lì)建模和振動(dòng)特征研究.pdf

1、高功率小體積機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)是國(guó)防、航空航天、能源、交通運(yùn)輸、船舶、石化等行業(yè)迫切需要的核心關(guān)鍵系統(tǒng)與裝置。行星齒輪傳動(dòng)具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比大、承載能力強(qiáng)、傳動(dòng)效率高、振動(dòng)噪聲小等諸多優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于航空航天、風(fēng)電、船舶、冶金、礦山、石化、起重運(yùn)輸和工程機(jī)械等領(lǐng)域。但是,行星傳動(dòng)自身結(jié)構(gòu)及內(nèi)部激勵(lì)復(fù)雜,齒輪早期失效頻發(fā),已成為制約行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)向長(zhǎng)壽命和高可靠性發(fā)展的主要因素。行星輪系齒輪嚙合的內(nèi)部非線性激勵(lì)是導(dǎo)致齒輪早

2、期失效的重要因素之一,其內(nèi)部非線性激勵(lì)建模和計(jì)算方法是研制高功率小體積傳動(dòng)系統(tǒng)不可或缺的理論和方法。因此,研究行星輪系齒輪嚙合非線性激勵(lì)機(jī)理、建模和振動(dòng)響應(yīng)特征,具有很高的理論價(jià)值和重要的工程意義。
　　行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)不同于定軸齒輪傳動(dòng),因結(jié)構(gòu)復(fù)雜和齒輪嚙合內(nèi)部非線性激勵(lì)的影響,具有眾多獨(dú)特振動(dòng)特征。例如,振動(dòng)信號(hào)的多種調(diào)制模式相互混淆、振源復(fù)雜及傳輸路徑變化導(dǎo)致的振動(dòng)信號(hào)相位和幅值非線性變化、多齒輪嚙合副耦合振動(dòng)的非線性以及動(dòng)

3、態(tài)響應(yīng)頻率成分的耦合特征等等,迫切需要發(fā)展能解釋上述現(xiàn)象和特征的行星輪系內(nèi)部非線性激勵(lì)模型及相應(yīng)的算法。
　　本論文針對(duì)行星輪系齒輪嚙合的非線性激勵(lì)建模與振動(dòng)特征問題,從行星輪系齒輪嚙合的剛度激勵(lì)和輪齒誤差非線性激勵(lì)的耦合機(jī)理入手開展研究,提出了行星輪系嚙合剛度與誤差耦合非線性激勵(lì)計(jì)算模型;針對(duì)存在齒根空間曲面裂紋的齒輪嚙合剛度計(jì)算問題,基于“裂紋區(qū)域切片”與“積分”的新思路,提出了“切片式”齒根空間曲面裂紋輪齒剛度激勵(lì)計(jì)算的新模

4、型和新方法;針對(duì)開式齒根裂紋輪齒塑性偏轉(zhuǎn)變形的動(dòng)態(tài)激勵(lì)計(jì)算尚無精確算法的問題,基于“輪齒塑性偏轉(zhuǎn)角”計(jì)算的新思路,提出了輪齒塑性偏轉(zhuǎn)變形的非線性動(dòng)態(tài)激勵(lì)精確計(jì)算模型與新算法。論文圍繞行星輪系齒輪嚙合非線性激勵(lì)建模與振動(dòng)特征的問題,開展了系列研究,主要研究工作包括:
　?、籴槍?duì)齒輪嚙合剛度、輪齒誤差等齒輪內(nèi)部嚙合激勵(lì)問題,基于“剛度與輪齒誤差相互作用”的思想,提出了行星輪系齒輪嚙合剛度與輪齒誤差耦合非線性激勵(lì)計(jì)算模型。新的非線性激勵(lì)

5、計(jì)算模型不僅可解決齒廓修形輪齒綜合嚙合剛度的解析計(jì)算問題,而且能實(shí)現(xiàn)不同齒數(shù)交替嚙合過渡區(qū)嚙合剛度平滑過渡的設(shè)計(jì)計(jì)算。新模型和算法克服了傳統(tǒng)嚙合剛度計(jì)算模型無法考慮齒廓修形而引起的嚙合剛度過渡區(qū)“階躍”突變問題,解決了剛度“階躍”突變引起的額外動(dòng)態(tài)沖擊的難題,為精確分析行星輪系非線性振動(dòng)響應(yīng)特征奠定了重要的理論基礎(chǔ);
　?、卺槍?duì)柔性齒圈內(nèi)嚙合齒輪副嚙合過程中,齒圈變形引起的輪齒嚙合位置變化與輪齒誤差耦合的非線性剛度計(jì)算難題,考慮齒

6、圈柔性變形、輪齒誤差、多支撐、多嚙合副等影響因素,提出了柔性齒圈內(nèi)嚙合剛度非線性激勵(lì)計(jì)算新方法,解決了目前內(nèi)嚙合齒輪副內(nèi)部激勵(lì)算法的計(jì)算速度和精度問題,同時(shí)研究了齒圈厚度、支撐形式與個(gè)數(shù)對(duì)內(nèi)嚙合齒輪副動(dòng)態(tài)激勵(lì)參數(shù)的影響,并從理論上揭示了行星輪系柔性齒圈的多模式混淆振動(dòng)現(xiàn)象;
　?、坩槍?duì)真實(shí)齒根裂紋空間曲面變化帶來的齒輪嚙合剛度激勵(lì)計(jì)算難題,基于“裂紋區(qū)域切片”與“積分”計(jì)算嚙合剛度的新思路,提出了“切片式”齒根空間曲面裂紋剛度激勵(lì)

7、計(jì)算新模型和新方法,突破了齒根空間曲面裂紋輪齒剛度的計(jì)算難題,為精確分析輪齒齒根裂紋的振動(dòng)響應(yīng)特征提供了新的理論與方法;
　?、茚槍?duì)開式齒根裂紋輪齒塑性偏轉(zhuǎn)變形的動(dòng)態(tài)激勵(lì)計(jì)算尚無精確算法的問題,推導(dǎo)了“輪齒塑性偏轉(zhuǎn)角”導(dǎo)致嚙合位置變化而引起的位移計(jì)算公式,建立了輪齒塑性偏轉(zhuǎn)變形的非線性動(dòng)態(tài)激勵(lì)精確計(jì)算模型與新算法,解決了齒根開式裂紋存在輪齒塑性偏轉(zhuǎn)變形影響嚙合剛度激勵(lì)與輪齒誤差激勵(lì)計(jì)算的難題,獲得了輪齒塑性偏轉(zhuǎn)變形及齒根裂紋對(duì)行星