本文關(guān)鍵詞： 行星齒輪傳動 功率分流 動力學建模 非線性 多尺度法　出處：《山東大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：行星齒輪傳動系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、傳動效率高、承載能力強、傳動平穩(wěn)等特點,被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶動力、風力發(fā)電及重型機械設(shè)備中。齒輪系統(tǒng)是多參數(shù)激勵系統(tǒng),內(nèi)部激勵包括剛度激勵、誤差激勵等,是造成系統(tǒng)振動的主要因素,而運行時的振動及噪聲嚴重影響了系統(tǒng)的可靠性及使用壽命,因此齒輪系統(tǒng)的動力學特性研究是減振降噪的基礎(chǔ)。目前行星輪系的動力學模型多為純扭轉(zhuǎn)模型或二維彎扭耦合模型,沒有計入各構(gòu)件的軸向振動,對行星輪系進行三維動力學建模能更精確地描述系統(tǒng)的動力學特性。功率分流式行星齒輪傳動系統(tǒng)具有兩級甚至多級同時承擔輸入功率的結(jié)構(gòu)特點,承載能力更強。對其進行動力學特性研究,可為系統(tǒng)減振降噪及輕量化設(shè)計等提供理論指導。但由于系統(tǒng)的相對運動關(guān)系復雜,內(nèi)部激勵因素多,其模型建立及動態(tài)特性分析難度很大。本文主要對單級行星輪系及功率分流式行星齒輪傳動系統(tǒng)進行了動力學建模及動態(tài)特性分析。論文的主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面:建立了單級行星輪系的三維彎扭耦合動力學模型,該模型能夠描述系統(tǒng)的三維平移-扭轉(zhuǎn)運動,導出了其非線性動力學微分方程組,為功率分流式行星齒輪傳動系統(tǒng)的動力學建模奠定基礎(chǔ)。求解其特征方程,得到在三維彎扭耦合模型下,單級行星輪系的固有振動模式可分為4類:剛體振動模式、中心構(gòu)件軸向平移扭轉(zhuǎn)振動模式、中心構(gòu)件徑向平移振動模式及行星輪振動模式。分析了行星輪數(shù)目、壓力角及構(gòu)件質(zhì)量對固有頻率的影響,結(jié)果表明行星輪振動模式的固有頻率值隨行星輪質(zhì)量的增大而逐漸減小,但不受中心構(gòu)件的質(zhì)量變化影響,其他振動模式的固有頻率值隨各構(gòu)件質(zhì)量的增大呈減小的趨勢;隨壓力角增大,僅第2階行星輪振動模態(tài)對應(yīng)的固有頻率單調(diào)遞增,其他階次的固有頻率單調(diào)遞減或保持不變;隨行星輪數(shù)目改變,重根數(shù)為1,2的固有頻率單調(diào)變化,行星輪振動模式的固有頻率值不變。提出了基于實現(xiàn)功率分流提高多級行星齒輪傳動系統(tǒng)承載能力的設(shè)計機理。輸入功率分流使傳遞路徑分散,降低了行星齒輪傳動構(gòu)件承擔的載荷。多級行星齒輪傳動系統(tǒng)由2K-H型差動行星輪系及準行星輪系組合而成,功率由2K-H型差動行星輪系太陽輪輸入,通過第一級差動輪系的行星架及齒圈分流到第二級的太陽輪及齒圈,第二級差動輪系再進一步進行功率分流,最后功率由準行星輪系的齒圈輸出,實現(xiàn)了多級同時承擔輸入功率,結(jié)構(gòu)非常緊湊,滿足了小型化及輕量化需求。建立了兩級功率分流式行星齒輪傳動系統(tǒng)的三維彎扭耦合動力學模型,能夠描述齒輪系統(tǒng)的三維平移-扭轉(zhuǎn)運動和行星齒輪傳動的級間耦合的影響,導出了系統(tǒng)的非線性時變動力學微分方程。運用模態(tài)分析法進行系統(tǒng)固有振動分析,兩級功率分流式行星輪系的固有振動模式可分為5類:剛體振動模式,兩級中心構(gòu)件軸向平移扭轉(zhuǎn)振動模式,兩級中心構(gòu)件徑向平移振動模式,第一級行星輪振動模式及第二級行星輪振動模式。發(fā)現(xiàn)在功率分流式行星輪系中,中心構(gòu)件軸向平移扭轉(zhuǎn)振動模式及中心構(gòu)件徑向平移振動模式必然存在級間耦合,而行星輪振動模式與級間耦合無關(guān)。得出了各振型的代表性振型圖,運用解析法證明了振型劃分的正確性及完備性。研究了在三維彎扭耦合模型下單級行星輪系及兩級功率分流式行星齒輪傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性,發(fā)展了分析功率分流式行星輪系動態(tài)響應(yīng)特性的多尺度法,導出了進行分級模態(tài)坐標變換后的廣義位移及系數(shù)矩陣,避免了級間運動耦合造成的求解困難,提高了計算效率及精度。得出了三維彎扭耦合模型下各共振模式的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)解析解,分析了影響單級與兩級功率分流式行星輪系動態(tài)特性的主要因素,發(fā)現(xiàn)了兩者主要區(qū)別:與單級行星輪系相比,兩級功率分流式行星輪系的動態(tài)響應(yīng)特性與兩級的嚙合剛度變化及輪齒分離情況均相關(guān),且任一級的嚙合頻率均可引起共振現(xiàn)象。區(qū)別于以往的解析法,該方法既能夠直觀地得出頻響函數(shù)的數(shù)學結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)參數(shù)對頻響函數(shù)的影響,又可分析穩(wěn)態(tài)振動的穩(wěn)定性、穩(wěn)定區(qū)間等特性。建立了N級功率分流式行星齒輪傳動系統(tǒng)的三維彎扭耦合非線性動力學模型,導出了多級三維耦合作用下的動力學微分方程組,求解其特征方程,結(jié)果表明N(N2)級功率分流式行星輪系固有振動可分為N+2類模式:整體中心構(gòu)件軸向平移扭轉(zhuǎn)振動模式、整體中心構(gòu)件徑向平移振動模式、第一級行星輪振動模式(N13)、第二級行星輪振動模式(N23)…第N級行星輪振動模式(NN3)。運用數(shù)值法分析了級間耦合剛度對固有振動特性的影響。發(fā)現(xiàn)整體中心構(gòu)件徑向平移振動模式對應(yīng)的固有頻率值隨級間耦合徑向支承剛度的增大而遞增,整體中心構(gòu)件軸向平移扭轉(zhuǎn)振動模式的固有頻率值隨級間耦合軸向支承剛度及耦合扭轉(zhuǎn)剛度的增大而增大,行星輪振動模式與級間耦合剛度的大小無關(guān)。隨第i級行星輪系的嚙合剛度增大,重根數(shù)為1,2及Nt-3的固有頻率值呈增大的趨勢,其他N-1種行星輪振動模式的固有頻率及振型矢量不變。建立了兩級功率分流式行星齒輪傳動系統(tǒng)實驗臺。結(jié)合理論建模方式合理布置加速度傳感器及激振點,將實驗固有振動分析結(jié)果與理論分析結(jié)果對比,系統(tǒng)的前6階固有頻率基本一致,且測點位置的振動特征與理論計算得到的振型特征較一致,由此證明了理論建模的正確性。在某些工況下對系統(tǒng)的動態(tài)振動信號進行測試,結(jié)果表明系統(tǒng)的任一級都可能激發(fā)共振現(xiàn)象,在不同的輸入轉(zhuǎn)速下,系統(tǒng)發(fā)生以嚙合頻率為基頻的主共振及次諧波共振。因此,本文理論研究時忽略外部激勵的假設(shè)是合理的,將包含齒側(cè)間隙非線性的時變嚙合剛度描述為傅里葉諧波形式的分析處理是正確的。本文的研究工作為單級行星輪系及功率分流式行星齒輪傳動系統(tǒng)的動力學建模及動態(tài)特性分析提供了理論依據(jù),為功率分流式行星輪系的減振降噪奠定理論基礎(chǔ),具有較大的理論及實際應(yīng)用價值。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH132.41
，

本文編號：1459298