螺旋锥齿轮啮合刚度及参数振动稳定性研究

准确计算时变啮合刚度是齿轮系统动力学研究的基础.针对航空高速重载螺旋锥齿轮,基于轮齿接触分析(TCA)和轮齿加载接触分析(LTCA)通过计算瞬时接触点的轮齿变形柔度建立了时变啮合刚度数值模型;将齿轮时变啮合刚度在一个啮合周期内视为逐段线性,基于Floquet理论推导了含时变刚度参数振动系统的状态转换矩阵解析式;通过修正小轮机床调整参数设计三种接触情况,分析了算例齿轮在相同载荷工况下的接触轨迹、传动误差、重合度和时变啮合刚度;采用二自由度齿轮系统动力学模型考察工作转速范围内的周期运动不稳定区间,分析了时变啮合刚度对螺旋锥齿轮系统参数振动稳定性的影响.      

星型齿轮传动非线性动力学建模与动载荷研究

本文建立了星型齿轮传动的弯扭耦合非线性动力学计算模型,模型中考虑了原动机和负载惯性,齿轮副的啮合综合误差,齿轮的偏心误差,时变啮合刚度以及齿轮的啮合间隙。采用适当的广义坐标变换,将线性恢复力和非线性恢复力共存的动力学方程组统一成矩阵形式,用数值解法获得了在有间隙非线性的情况下受强参数激励和多频激励的系统的动态响应和动载荷历程。最后给出了一个算例,讨论了间隙、齿频误差和偏心误差对齿轮系统的响应、动载荷以及各星轮的载荷分配均匀性的影响。并研究了刚度和误差激励和间隙的相互耦合关系,得出了对星型齿轮传动设计和制造有意义的结论。      

偏心与齿频误差对封闭差动人字齿轮传动系统动态均载特性的影响分析

基于集中参数理论,建立了封闭差动人字齿轮传动系统动力学模型,模型中考虑了支撑的弹性变形、啮合齿轮副的时变啮合刚度激励、误差激励以及中间浮动构件的影响.引入斜齿轮啮合刚度公式按并联方式计算了人字齿时变啮合刚度,采用傅里叶级数法求解系统动力学方程,获得了系统动态均载系数,分析了偏心与齿频误差对系统均载特性的影响.研究结果表明:差动级均载系数对齿频误差敏感,随齿频误差的增加而增大,均载系数基本不受偏心误差的影响;封闭级均载系数对偏心误差敏感,随偏心误差的增加而增大,均载系数基本不受齿频误差的影响;齿频误差对差动级均载系数的影响比偏心误差对封闭级均载系数的影响大,差动级均载系数大于封闭级均载系数.      

多激励下某直升机传动系统动载特性

针对由弧齿锥齿轮和行星轮系构成的直升机传动系统,构建了纯扭振动模型,采用集中参数法建立了齿侧间隙非线性动力学方程.通过有限元方法求得了时变啮合刚度,采用4-5阶变步长Runge-Kutta法对动力学方程进行了数值求解,借助动载系数、相图、Poincaré截面图、快速傅里叶变换频谱图等分析手段,研究了传动系统在时变啮合刚度、齿侧间隙、综合传动误差、外载荷等多种激励作用下系统的动载特性.结果表明啮合刚度对传动系统的影响最大,动载系数最大值为1.5;齿侧间隙对系统响应特性的影响是有限的;啮合误差在一定程度上抑制了齿轮系统的振动;外载荷波动对不同速级的影响不同,动载系数最大值发生在并车传动.     

弹性支撑条件下齿轮体的动力特性与啮合齿的动力响应

 结合齿轮的实际工作状况，建立了齿轮结构的弹性体动力学模型，进行了弹性动力学分析,得出了齿轮的弹性固有特性; 考虑了弹性支撑轴对齿轮体振动的影响，将其处理为弹性支撑，推导了弹性支撑弹簧刚度的表达式,并在弹性边界条件下，考虑了弹性圆盘对啮合齿响应的影响，建立了齿轮支撑系统的动力模型和轮齿响应计算模型，研究了齿轮支撑系统的固有特性,并与实验结果进行了对比验证; 求解了啮合齿的动力学响应，并进行了模拟仿真。研究表明采用弹性支撑条件进行齿轮支撑系统分析是真实、精确的，为齿轮弹性体的动载荷计算、动态设计和齿轮传动系统的精确动力学研究提供了一种分析方法。     

两级星型齿轮传动系统非线性动力学研究

建立了两级星型齿轮传动系统的非线性动力学分析模型,模型中考虑了系统的综合啮合误差、时变啮合刚度以及齿侧间隙.采用数值积分方法对多间隙多自由度非线性微分方程组进行了求解.分析了两级星型齿轮传动系统由简谐振动、非谐单周期振动、倍周期振动以及拟周期振动通向混沌的非线性动力学特性.      

齿轮-转子-滚动轴承传动系统的弯扭耦合振动

考虑齿轮啮合及扭转作用,建立齿轮-转子-滚动轴承传动系统的弯扭耦合非线性动力学模型.考虑输入/输出端、齿轮轴的弯曲/扭转振动等问题,推导了不平衡齿轮-转子-滚动轴承弯扭耦合的动力学微分方程.在考虑齿轮偏心和滚动轴承非线性接触特性的情况下,分析了转速、偏心量以及轴承游隙等参数对系统振动响应的影响规律.研究发现:由于弯扭耦合的作用,在主动轴中有着非常明显的从动轴转频成分.而在扭转振动中则各轴转频和啮合频率表现得更为清晰;滚动轴承有其自身的谐振频率,在系统设计阶段需要注意避开滚动轴承的变刚度频率对系统的影响;随着齿轮偏心量的变化对系统的时域和频域响应也有着很大的影响.另外,轴承游隙对系统的振动响应也有着较大影响,应选择合适的轴承游隙,以减小系统各处的振动幅值.     

基于Kriging模型和遗传算法的齿轮修形减振优化

针对齿轮修形优化时计算啮合刚度计算量大、计算精度低、操作繁琐等问题，提出一种基于Kriging模型和遗传算法的齿轮减振修形优化算法.以典型直齿轮传动为例开展齿轮修形优化，通过拉丁抽样建立Kriging模型，解决齿轮修形优化的多响应和隐式函数的问题，通过Kriging预测的啮合刚度与有限元法的对比可知，时变啮合刚度函数各参数的误差最大值为7.79×10-5,1.20×10-3及1.30×10-4，验证了Kriging多响应预测啮合刚度函数的精确性.将Kriging预测函数代入直齿轮啮合传动的动力学微分方程，采用遗传优化算法时将齿轮动态传动误差响应波动最小作为优化目标，得到最优的齿轮修形参数.算例表明:相比于ISO(International Standardization Organization)修形和未修形的齿轮，该算法的减振效果最好，验证了基于遗传算法与Kriging模型对齿轮进行修形优化的正确性、高效性.相比于直接采用有限元法进行齿轮修形优化，该算法计算时间由26.91d减小为2.24h，证明了该算法计算效率的优越性.      

基于解析解的人字齿轮齿廓修形动态分析

根据人字齿轮传动的结构,考虑时变啮合刚度、齿侧间隙,并把齿廓修形作为一种时变齿侧间隙计入,建立了单级人字齿轮传动的弯-扭-轴耦合动力学模型和相应的非线性动力学方程.对方程的数值解进行分析,发现合理的修形使人字齿轮传动不发生齿面的完全分离.基于多尺度法对不发生齿面完全分离时的人字齿轮传动系统进行了摄动分析,得到了系统在主共振频率附近幅频响应的近似解析解.相比数值方法,解析法具有很高的求解效率.最后,根据近似解析解研究了修形参数对动载系数幅值的影响.研究发现:螺旋角越大使动载系数最小所需的修形量越大,而所需的修形长度越小.另外,使动载系数最小的最优修形参数解域呈新月形,其随着主动轮支承刚度的增大而先增大后减小;随着被动轮支承刚度的增大而持续减小.      

具有时变刚度传动误差及间隙的齿轮系统动力学分析

建立了 ４ 自由度的直齿圆柱齿轮系统的非线性动力学方程。该方程包含了时变啮合刚度、传动误差及间隙。利用齿轮结构的旋转对称性,提出了用一个啮合齿对上的参数表示其它啮合齿对上参数的方法。为了求解方程,提出了一种有效的数值方法——基于打靶法的局部参数化延拓法。该方法不但能够得到非线性振动微分方程的周期解,而且特别适合处理含奇异点的非线性特征值问题。最后给出了一个数值计算示例。     

扭转刚度对双输入圆柱齿轮分流传动系统动力学均载系数的影响

建立了双输入圆柱齿轮分流传动系统的弯扭耦合动力学模型,模型中考虑了各齿轮副间的时变啮合刚度、齿侧间隙、啮合误差、啮合阻尼等因素.结合闭环结构特点,利用齿轮啮合线的相对位移和传动轴扭转位移消除方程中的刚体位移.采用4阶Runge-Kutta法求解系统动力学方程,获得了系统均载系数.结果表明:系统均载系数受输入轴扭转刚度影响小;分流级和并车级均载系数对双联齿轮轴的扭转刚度敏感,减小双联齿轮轴的扭转刚度可以改善系统的均载性能,当双联齿轮轴的扭转刚度小于1.1×105（N·m）/rad时,可将系统均载系数控制在1.06以内;输出轴扭转刚度的变化对分流级和并车级均载系数基本没有影响.      

参数对二分支斜齿轮传动动载和均载特性影响

采用集总质量法建立二分支斜齿轮传动系统的动力学模型及动力学方程,考虑轮齿啮合偏差和时变啮合刚度等激励因素,研究分别在不同支承刚度和不同分扭角度情况下,传动系统的动载系数和均载系数的变化规律,得出如下结论:①较大的支承刚度有利于改善传动系统的均载特性和运转平稳性,在16倍初始支承刚度下系统的均载特性已趋近于理想情况;②二分支斜齿轮传动系统的分扭角度对其动载系数和均载系数有较大影响,在分扭角度为110°时系统的均载特性最优;③即使1μm的轮齿啮合偏差也会对系统的均载特性产生较大不良影响,应严格控制.      

弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮非线性动力学研究

通过引入理想传动的概念,首次给出了弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮啮合力和阻尼力的表示方法,同时也给出了多对齿啮合条件下啮合力和阻尼力产生的扭矩在不同啮合区域内的表示方法,并在此基础上,建立了弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮非线性系统动力学方程。      

并车螺旋锥齿轮传动动力学参数二维域界结构分析

构建了并车螺旋锥齿轮传动含间隙非线性动力学模型，采用变步长Gill数值法对振动方程进行了求解。将胞映射法引入齿轮动力学全局性态域界分析中，获得了动力学参数二维域界解结构。分别考虑了系统在齿侧间隙、综合误差、时变刚度以及阻尼比等参数域界结构中的稳态特性，借助相图、Lyapunov指数（LE）、Poincaré截面、快速傅里叶频谱分析(FFT)等手段研究了齿轮系统在多参数域共同激励下的动态分岔行为，验证了胞映射法在齿轮动力学参数域设计中的准确性。结果表明:当阻尼比ξ∈［0.025,0.225］时，在间隙和综合误差激励下系统均通过倍周期分岔进入混沌；较大阻尼比有助于系统处于稳态周期域中；时变啮合刚度激励下，系统在周期域和混沌域之间发生跃迁，域界附近参数的微小波动将导致吸引子进入另一吸引域中。      

基于变形协调的行星轮系均载特性研究

以2K-H行星齿轮传动系统为研究对象,根据整个系统构成功率流动闭环的特点,建立了系统的力矩平衡条件和变形协调条件,并运用当量啮合误差理论,计算了各个行星轮以及系统的均载系数.从静力学角度分析了各构件的制造误差、安装误差以及浮动对行星传动均载性能的影响.提出了一种新的算法,以供工程应用参考.      

齿轮分扭传动的均载行为机理及参数匹配分析

为提高分扭传动系统的均载特性,通过构建误差、载荷的分析图,剖析了影响均载性能的机理;考虑支撑刚度、扭转刚度以及齿轮副的时变啮合刚度,采用集中质量法建立了传动系统的动力学模型。通过龙格库塔法求解传动系统动力学模型,计算了传动系统的均载系数;运用正交试验法获得了齿侧间隙、中心距误差对均载特性的影响规律和权重。研究结果表明:齿侧间隙具有相关性,其取值应满足一定的规则;中心距误差无相关性,并车级中心距误差对均载和动载荷系数的影响权重较大。因此,为提高分扭传动构型的均载特性,齿侧间隙、中心距误差需采用参数匹配的设计方法。     

一种基于有限元法和弹性接触理论的齿轮啮合刚度改进算法

提出了一种将有限元法和弹性接触理论相结合的齿轮啮合刚度计算方法.该方法利用子结构法提取齿面原始柔度矩阵并分离出接触点弯曲变形,根据线弹接触变形解析公式计算接触变形,通过求解非线性变形协调方程得到齿轮时变啮合刚度和齿面载荷分布.以一对齿轮副为例,计算的啮合刚度与航空标准计算结果相差在6%以内.该方法发挥了有限元法在预测物体整体变形方面的优势,同时结合弹性接触理论能够准确计算局部接触变形的优点,与常规有限元法相比,能够有效地提升计算效率.由于接触变形问题的非线性,啮合刚度随总啮合力增加呈现非线性增大的趋势.