【摘要】：齒輪傳動系統(tǒng)在航空、航天、交通、機械和儀表制造等各個工業(yè)部門獲得廣泛的應用。齒輪系統(tǒng)是由齒輪副、傳動軸、軸承、箱體等組成的彈性機械系統(tǒng)。齒輪嚙合時輪齒的彈性變形、嚙入嚙出沖擊、齒輪間隙、制造誤差、修形、裝配誤差等都對輪齒靜、動力接觸特性、系統(tǒng)動態(tài)性能、系統(tǒng)傳動精度等有很大影響。為了滿足各類機械裝備性能不斷提高的要求,必須考慮這些非線性因素,對齒輪系統(tǒng)的非線性動力學問題進行研究,因此從設計角度,將設計-靜態(tài)分析-動態(tài)分析-實驗分析進行系統(tǒng)地研究是齒輪傳動的一個重要基礎性研究課題。 論文根據(jù)齒輪修形加工原理,推導了標準直齒輪及修形直齒輪的參數(shù)化坐標方程,基于TCA理論,給出了考慮三種安裝誤差時,修形直齒輪的接觸軌跡,為齒輪傳動幾何參數(shù)的分析、動態(tài)性能分析及實驗研究提供分析方法。 基于Labview和LMS測量系統(tǒng),搭建了齒輪動(靜)態(tài)傳遞誤差和振動噪音測量試驗平臺,給出了基于光柵盤的齒輪動(靜)態(tài)傳遞誤差測量、計算方法,并測量得到不同安裝誤差時的靜態(tài)傳遞誤差及輪齒間隙,分析了安裝誤差、轉(zhuǎn)速、載荷等對動態(tài)傳遞誤差及齒輪系統(tǒng)的沖擊振動的影響。 針對齒輪沖擊的能量守恒問題,建立了一種新的考慮時變嚙合剛度、摩擦齒輪沖擊動力學模型。該模型剛度、摩擦均根據(jù)嚙合點逐點求解,然后積分動力學方程,得到系統(tǒng)的動態(tài)響應。應用數(shù)值仿真的方法研究了不同載荷、摩擦對系統(tǒng)的瞬態(tài)沖擊行為規(guī)律。研究表明：(1)輪齒存在脫嚙沖擊時,傳遞誤差主要是以沖擊頻率為主,但沖擊頻率與嚙合頻率、軸頻有差異；(2)載荷的波動對低速時系統(tǒng)的動態(tài)傳遞誤差、轉(zhuǎn)速波動等的影響有限,高速時齒頻載荷波動使傳遞誤差的嚙合頻率部分急劇增大,沖擊頻率基本保持不變；(3)軸頻載荷波動對系統(tǒng)的影響更加顯著,會引起系統(tǒng)出現(xiàn)脫嚙-沖擊,甚至雙邊沖擊,系統(tǒng)響應以低頻沖擊振動為主。(4)低速時摩擦對系統(tǒng)的影響非常明顯,摩擦可以遏制輪齒脫嚙,但是其對低頻振動的影響不可忽視。高速時摩擦對高頻分量的影響比較小,但是對低頻分量影響比較大。以上現(xiàn)象,在經(jīng)典動力學模型分析中不可能得到,所以在研究輪齒的拍擊特征時,有必要從沖擊動力學的角度去分析輪齒的沖擊行為,該研究對理解齒輪的沖擊特征、齒輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化、可靠性分析提供了一個新的思路。 論文研究了沖擊阻尼參數(shù)對系統(tǒng)非線性動力學響應的影響,研究表明：在重載時,參數(shù)n不會改變間隙引起的跳躍現(xiàn)象,但是會影響跳躍的長度,同時加劇系統(tǒng)的振動。在輕載時,參數(shù)n會使間隙引起的跳躍特征消失,從而使系統(tǒng)具有線性特征。沖擊阻尼可以遏制響應的次諧分量的幅值,但是對主要嚙合頻率及其倍頻分量的影響比較小。嚙合頻率部分的幅值受阻尼的影響比較小,但是次諧分量隨著沖擊阻尼的增加而明顯減小。輪齒直接沖擊的速度也不盡然相同,對應的恢復系數(shù)也有很大的差別,所以低速的輪齒拍擊、啟停比較頻繁時的輪齒沖擊分析必須要考慮恢復系數(shù)對系統(tǒng)響應的影響。在低速時,動載荷主要與傳遞誤差的高頻分量(嚙合頻率及其倍頻分量)有關(guān),提高齒面的精度、改善齒廓偏差及粗糙度可以有效的遏制傳遞誤差的高頻分量幅值從而降低系統(tǒng)的動載荷。在高速時,動載荷主要受傳遞誤差軸頻分量的影響。雖然齒輪可能處于嚙合頻率的共振區(qū)域,但是動態(tài)傳遞誤差仍然以傳遞誤差的軸頻分量為主。 從工程角度來說,單純的從提高齒輪材料性能遠不及對輪齒進行修形得以改善嚙合特征的效果好,雖然目前有學者建議齒輪沖擊采用n=1.5的形式,但是精確的齒輪沖擊實驗驗證還沒有見到報道,這也是基于參數(shù)n的動態(tài)修形設計的一個基礎條件,必須在實驗的基礎上準確確定參數(shù)n。該研究表明我們除了關(guān)心系統(tǒng)的共振區(qū)域,避免齒輪傳動系統(tǒng)的共振外,還應該考慮在低轉(zhuǎn)速時沖擊引起過高的沖擊動載荷。 針對本研究提出的含動態(tài)域的非光滑動力學系統(tǒng),本文首先給出了基于多重打靶方法周期解求解方法,并結(jié)合Floquet理論,給出了該類系統(tǒng)余維一和余維二分岔的數(shù)值計算求解格式,以經(jīng)典的倍周期分岔、鞍結(jié)分岔為基礎,分析了該類系統(tǒng)的切分岔特征,及轉(zhuǎn)速參數(shù)ω、間隙參數(shù)b0和載荷波動系數(shù)f1對系統(tǒng)余維一和余維二分岔的影響。 在齒輪傳動系統(tǒng)的振動噪音研究方面,一般人們把軸頻的調(diào)制,歸結(jié)為系統(tǒng)安裝誤差、軸承誤差等因素引起的。動力學分析往往忽略靜態(tài)傳遞誤差的軸頻部分,從而得不到含軸頻調(diào)制的響應。根據(jù)本文提出的建立動力學系統(tǒng)的方法,在動力學方程中,將靜態(tài)傳遞誤差仍然表示為位移激勵,從而避免了位移激勵在二次求導時,軸頻分量的相對值變小,以致從數(shù)學意義上被忽略。本文得到的動態(tài)響應物理意義明確,其與實際的齒輪系統(tǒng)的振動信號分析具有可比性。
【學位授予單位】：中南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TH132.41

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本文編號：2602475