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.      

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.      

一种考虑齿轮副连续啮合过程的接触有限元动力学分析方法

在系统分析齿轮副连续啮合过程不同典型啮合状态特点的基础上,提出了一种可以考虑齿轮副连续啮合过程中啮合齿对变化,受载弹性变形以及滑动摩擦等影响因素的接触有限元分析方法.利用该方法对三种考虑不同因素的齿轮副模型进行了对比分析,并得到了各种因素对齿轮副连续啮合过程动态传递误差及动态接触力特性的影响.研究表明:该方法可以真实模拟齿轮副连续啮合过程中单、双齿对啮合及其交替啮合状态的动力学特性,包括滑动摩擦引起的节点冲击,受载弹性变形引起的啮入、啮出冲击以及时变刚度等激励特性;并可以得到啮入、啮出冲击的大小及作用时间,以及滑动摩擦和齿廓修形对动态啮合特性的影响;动态啮合特性分析结果与齿轮副连续啮合状态的特征完全吻合.      

齿轮减速器系统可变固有特性动力学研究

考虑到齿轮传动啮合刚度的波动和传动误差的影响以及轴承支撑刚度的作用,对二级齿轮减速器传动系统进行了理论建模和动态响应分析,并与实验结果进行了比较。结果表明,齿轮传动在单齿啮合区和双齿啮合区之间啮合刚度变化较大;减速器系统的动态特性 (固有频率、固有振型、阻尼等 )随啮合周期而发生变化,呈现出一种可变的动态固有特性。故对于系统进行研究时,可分别按单齿区和双齿区平均啮合刚度进行分析,一般可以满足实际工程要求。     

基于动力学的齿轮传动系统动载系数计算方法

从动力学的角度建立直齿轮传动系统的弯-扭动力学模型。运用当量啮合误差原理将齿轮的制造误差和安装误差转换到啮合线上,并建立系统的微分方程组。计算直齿轮传动系统的动载系数并分析误差及齿轮啮合刚度对齿轮传动系统动载系数的影响。分析表明:齿轮的误差增加时,齿轮啮合动载荷增加,动载系数增大;当齿轮副的啮合刚度增加时,齿轮的弹性变形减小,齿轮啮合动载荷减少,动载系数降低。因此,减少齿轮的误差、提高齿轮的啮合刚度是减小齿轮动载荷,降低动载系数的方法之一。     

斜齿轮啮合刚度变化规律研究

利用基于线性规划法计算啮合刚度和载荷分布的改进方法,分别计算了一对内、外啮合斜齿轮在不同螺旋角时的啮合刚度,总结了啮合刚度在一个啮合周期内的变化规律.计算结果表明,所有参与啮合轮齿形成的啮合线总长度是决定啮合刚度大小的主要因素,在进入啮合和退出啮合的瞬时位置,啮合刚度会减小.通过与航空工业部标准(HB/Z 84.1-1984)算法的计算结果比较,浅析了轮缘厚度对啮合刚度的影响.      

高重合度外啮合齿轮齿根弯曲应力计算方法

针对高重合度外啮合直齿圆柱齿轮副,对其齿根弯曲应力计算方法进行了研究.计算了高重合度齿轮的轮齿变形和刚度,对单个轮齿承受的载荷进行了研究,给出了高重合度齿轮齿间载荷分配率的定义和计算方法.以高重合度齿轮的双齿啮合界点作为计算载荷的加载点,给出了高重合度齿轮齿根过渡曲线30°切线位置危险截面的双齿啮合区界点的齿形系数和应力集中系数计算方法,获得了齿根危险截面弯曲应力的计算公式;采用CL 100齿轮试验机,设计了不同重合度的外啮合齿轮副,测量了其齿根的弯曲应力数值,试验结果表明:在高载荷下主动轮的齿根弯曲应力理论计算误差小于7.85%,从动轮的计算误差小于9.8%;低载荷下主动轮的齿根弯曲应力理论计算误差小于24.1%,从动轮的计算误差小于19%.      

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.     

行星轮系动态啮合应力研究

针对行星传动齿轮系的结构特点,建立了行星齿轮和主动齿轮的非线性接触有限元模型,应用AN-SYS软件进行了动态接触分析的研究。基于研究结果,建立了可以体现行星齿轮系在工作过程的啮合应力变化情况的计算模型,可以直观地观察到行星齿轮系从开始啮合到完全脱开整个过程中的应力分布及变化情况。选择20节点六面体单元,模拟齿轮受载情况,迅速、高效地得出整个齿轮系的强度、刚度分布云图,大大提高了设计效率。     

基于数控切齿的弧线齿面齿轮啮合特性研究

研究了弧线齿面齿轮的数控切齿及其啮合特性.基于假想产形齿轮的概念,同时考虑了刀具法向截面的修形,推导弧线齿面齿轮的齿面方程;以坐标变换为工具,建立其机床加工模型,确定各运动轴的多项式表达式;在此基础上,建立了考虑安装误差的弧线齿面齿轮副接触分析模型.计算结果表明:通过面齿轮的齿面修形,可以降低啮合转换点处的传动误差幅值,并获得较好的传动误差曲线.      

承载传动误差最小的高重合度弧齿锥齿轮波动齿面设计

为改善航空弧齿锥齿轮的承载啮合性能,结合ease-off技术提出一种波动齿面设计方法以降低高重合度弧齿锥齿轮的承载传动误差。鉴于中凹型修形曲线（修形齿面的几何传动误差曲线）可极大地减小高重合度弧齿锥齿轮传动的承载传动误差波动幅值,创建一种与高重合度相适应的波动齿面修形模型;结合ease-off技术建立以降低承载传动误差波动幅值为目标的优化模型;通过优化得到具有良好啮合性能的高重合度弧齿锥齿轮。分析发现:优化后2阶传动误差设计弧齿锥齿轮传动的承载传动误差波动幅值降低了34.152%,而由波动齿面设计方法所得改进修形弧齿锥齿轮的承载传动误差进一步降低了61.492%,有效地改善了高重合度弧齿锥齿轮传动性能,为高性能弧齿锥齿轮齿面设计奠定理论基础。      

全工序法弧齿锥齿轮加工参数计算方法

分析弧齿锥齿轮刀盘的结构特征与切齿运动特点,提出三个参考点的设置方法。以大轮采用展成法,小轮采用螺旋展成法加工的弧齿锥齿轮副为研究对象,提出了全工序法大轮加工参数的简化计算方法。总结螺旋锥齿轮的一般啮合规律,结合参考点设置方法,利用Free-Form型机床的柔性运动控制特征,建立了小轮的切齿控制优化模型,获得一组最优化的加工参数。以此计算方法开发了设计软件,基于国产全数控锥齿轮加工装备,以一对准双曲面齿轮为算例进行了网络化闭环制造,试验结果显示:齿轮副传动误差幅值达13.2″,两齿面接触区均位于齿面中部、呈内对角,验证了方法的正确性,有效解决了全工序法加工弧齿锥齿轮时双面接触特征同步调整困难的行业难题。      

航空弧齿锥齿轮低噪声和低安装误差敏感性设计

基于局部综合原理,提出弧齿锥齿轮副的低噪声、低安装误差敏感性设计方法。介绍了基于局部综合原理的弧齿锥齿轮小轮加工参数设计的基本过程,通过预置传动比函数的1阶导数、大轮齿面参考点处接触迹线的切线方向和瞬时接触椭圆的长半轴长度和点接触局部综合公式,求得小轮的加工参数;根据得到的弧齿锥齿轮副的加工参数,进行齿面接触分析,进而获得齿面接触印痕和传动误差曲线;对某型航空弧齿锥齿轮副进行了基于局部综合法的加工参数设计,得到对称抛物线型传动误差曲线和接近于直线的啮合印痕。齿面接触印痕和传动误差曲线有利于降低弧齿锥齿轮副的啮合振动和噪声以及对安装误差的敏感性。     

弧齿锥齿轮激励研齿的动态研磨分析与试验

建立了包含齿侧间隙、传动误差和时变啮合刚度等因素的10自由度弧齿锥齿轮研齿系统的动力学模型,针对普通研齿的不足之处,提出了激励研齿加工方法,对普通研齿和激励研齿动态位移响应和动态研磨力进行了对比分析,结果表明激励研齿方法使工作齿面和非工作齿面同时得到研磨,增加了研齿时的动态研磨力.超声激励下的弧齿锥齿轮研齿试验表明激励研齿方法能提高研齿的效率,提高齿形精度,改善齿面质量和轮齿啮合特性.      

弹性支承下弧齿锥齿轮齿面接触特性的理论与实验研究

航空发动机采用弹性支承后,转子弹性变形会造成主传动弧齿锥齿轮相对位置的变化,从而影响齿面接触性能。针对某型涡喷发动机转子系统,分析求解了弹性支承下齿轮安装处的变形,并将其等效地转化为齿轮副间的安装距偏差,在此基础上,完成了弧齿锥齿轮齿面接触特性分析。在转子系统模拟试验台上,对发动机主传动锥齿轮接触性能进行了实验研究。分析与实验结果同时表明支承刚度对齿面接触区和传动误差皆有很大影响。     

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。      

基于电子展成原理的直齿锥齿轮齿形误差测量

针对传统基于接触印痕检验的直齿锥齿轮齿形误差检测方法存在的难以定量描述几何误差、量值溯源性差等缺点,提出一种基于电子展成原理的直齿锥齿轮齿形误差测量与评定方法,首先建立了直齿锥齿轮的理论齿形及齿形误差测量的数学模型,然后在基于全闭环交流伺服控制系统的齿轮测量中心上,控制传感器测头在空间扫描形成直齿锥齿轮的理论齿形曲线,依据连续扫描过程中的传感器读数对直齿锥齿轮的齿形误差进行测量与评定。结果表明,该方法可在现有CNC齿轮测量中心上实现直齿锥齿轮齿形误差的自动测量与评定,具有测量效率与自动化程度高、量值溯源性好等显著优点。     

基于遗传算法的弧齿锥齿轮动态特性优化设计

基于集中质量法建立了弧齿锥齿轮八自由度弯-轴-扭三维空间动力学模型,在模型中考虑了啮合刚度的时变性、几何传动误差的非线性、齿面侧隙以及支承刚度的非线性.采用Runge-Kutta法对传动系统动态响应进行求解.在此基础上,以啮合周期内动态特性指标——振动加速度均方根作为优化目标函数,使用遗传算法对局部综合法中的齿面控制参数进行优化.在对设计参数进行优化的同时也获得了齿轮副最优加工参数.最终以齿面修形的方式实现了航空弧齿锥齿轮动态特性优化,减小了齿轮传动系统的振动与噪声.      

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。