行星輪系齒輪嚙合非線性激勵建模和振動特征研究.pdf

1、高功率小體積機械傳動系統(tǒng)是國防、航空航天、能源、交通運輸、船舶、石化等行業(yè)迫切需要的核心關(guān)鍵系統(tǒng)與裝置。行星齒輪傳動具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大、承載能力強、傳動效率高、振動噪聲小等諸多優(yōu)點,已廣泛應(yīng)用于航空航天、風電、船舶、冶金、礦山、石化、起重運輸和工程機械等領(lǐng)域。但是,行星傳動自身結(jié)構(gòu)及內(nèi)部激勵復(fù)雜,齒輪早期失效頻發(fā),已成為制約行星齒輪傳動系統(tǒng)向長壽命和高可靠性發(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)部非線性激勵建模和計算方法是研制高功率小體積傳動系統(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機理、建模和振動響應(yīng)特征,具有很高的理論價值和重要的工程意義。
　　行星齒輪傳動系統(tǒng)不同于定軸齒輪傳動,因結(jié)構(gòu)復(fù)雜和齒輪嚙合內(nèi)部非線性激勵的影響,具有眾多獨特振動特征。例如,振動信號的多種調(diào)制模式相互混淆、振源復(fù)雜及傳輸路徑變化導(dǎo)致的振動信號相位和幅值非線性變化、多齒輪嚙合副耦合振動的非線性以及動

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)部非線性激勵模型及相應(yīng)的算法。
　　本論文針對行星輪系齒輪嚙合的非線性激勵建模與振動特征問題,從行星輪系齒輪嚙合的剛度激勵和輪齒誤差非線性激勵的耦合機理入手開展研究,提出了行星輪系嚙合剛度與誤差耦合非線性激勵計算模型;針對存在齒根空間曲面裂紋的齒輪嚙合剛度計算問題,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計算的新模

4、型和新方法;針對開式齒根裂紋輪齒塑性偏轉(zhuǎn)變形的動態(tài)激勵計算尚無精確算法的問題,基于“輪齒塑性偏轉(zhuǎn)角”計算的新思路,提出了輪齒塑性偏轉(zhuǎn)變形的非線性動態(tài)激勵精確計算模型與新算法。論文圍繞行星輪系齒輪嚙合非線性激勵建模與振動特征的問題,開展了系列研究,主要研究工作包括:
　　①針對齒輪嚙合剛度、輪齒誤差等齒輪內(nèi)部嚙合激勵問題,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計算模型。新的非線性激勵

5、計算模型不僅可解決齒廓修形輪齒綜合嚙合剛度的解析計算問題,而且能實現(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)計計算。新模型和算法克服了傳統(tǒng)嚙合剛度計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”突變引起的額外動態(tài)沖擊的難題,為精確分析行星輪系非線性振動響應(yīng)特征奠定了重要的理論基礎(chǔ);
　?、卺槍θ嵝札X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計算新方法,解決了目前內(nèi)嚙合齒輪副內(nèi)部激勵算法的計算速度和精度問題,同時研究了齒圈厚度、支撐形式與個數(shù)對內(nèi)嚙合齒輪副動態(tài)激勵參數(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現(xiàn)象;
　　③針對真實齒根裂紋空間曲面變化帶來的齒輪嚙合剛度激勵計算難題,基于“裂紋區(qū)域切片”與“積分”計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

7、計算新模型和新方法,突破了齒根空間曲面裂紋輪齒剛度的計算難題,為精確分析輪齒齒根裂紋的振動響應(yīng)特征提供了新的理論與方法;
　?、茚槍﹂_式齒根裂紋輪齒塑性偏轉(zhuǎn)變形的動態(tài)激勵計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算公式,建立了輪齒塑性偏轉(zhuǎn)變形的非線性動態(tài)激勵精確計算模型與新算法,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與輪齒誤差激勵計算的難題,獲得了輪齒塑性偏轉(zhuǎn)變形及齒根裂紋對行星