不同因素激励下齿轮传动动力学仿真及实验研究

摘要

课题来源于国家“十一五”科技支撑计划“高速、重载、精密机械传动系统共性关键技术研究”(2006BAF01B07-01)。齿轮传动是极其重要的机械传动形式，广泛应用于制造装备业的各个领域，其动态特性和振动噪声水平是重要的性能评价指标，直接影响相关产品品质。齿轮传动的动态特征一方面由系统所固有的动力学性能决定，另一方面则是由不同的激励因素下形成的不同动态响应表现出来。因此，从不同激励因素角度出发，探讨齿轮传动的动态激励-系统特性-响应特征关系才具有实际意义，这对于把握齿轮传动系统动力学设计本质，指导低振动低噪声的齿轮传动产品开发具有重要的理论和工程实用价值，对提升我国制造装备业的整体水平具有积极的促进作用。
　　本文主要从齿轮传动激励因素入手，以实际工程产品为研究载体，基于摩擦学、机械动力学，以理论分析、数值仿真、虚拟样机、实验验证为手段，对齿轮传动系统中相关的动态特性和减振降噪方法开展研究。研究内容主要包括：
　　①从齿面摩擦因素激励出发，基于不同齿轮摩擦模型获得时变摩擦系数分布特征，建立计及齿面时变摩擦力影响，同时考虑啮合刚度时变性的六自由度精确动力学模型，利用Runge-Kutta法进行数值仿真，分析了不同齿面微观特征下齿面摩擦因素对系统的动态激励及其对啮合线方向动传动误差的影响，并通过实验对结论进行了验证，明确了齿面摩擦激励对齿轮传动的动态特征的影响规律。
　　②从啮合线方向传动误差因素激励出发，讨论了齿轮传动误差计算的薄片理论并基于有限元方法进行了验证，以某机械式变速箱为研究载体，建立耦合动力学仿真模型，计算了固有模态频率和振型，分析了二档档位齿轮和主减齿轮传动误差激励下的模态柔度，获得了各轴承轴承力的动态响应以及箱体表面加速度响应；以齿轮传动误差为目标，应用遗传算法对档位齿轮的齿廓修形方案进行优化，并通过敏感性分析验证了优化后齿廓的传动误差对制造公差的稳健性，最终获得了从传动误差激励入手的减振降噪解决方案。
　　③从齿轮非线性拍击激励出发，研究齿轮传动由齿轮侧隙形成的拍击振动的动力学特性，先从单齿对拍击研究入手，利用集中参数法建立考虑齿轮侧隙、离合器多级刚度、拖曳力矩和载荷波动影响的非线性扭转振动动力学模型，利用数值仿真方法考察了多参数影响下的拍击动态特征，分析了拍击强度和拍击门槛值；最后建立了某五档机械式变速箱的拍击动力学仿真模型，评价了驱动工况下各档位的拍击强度，基于台架实验对仿真结果进行了验证，为控制齿轮传动中的拍击振动提供有益参考。
　　④从多个齿轮啮合激励信号的相位调制现象出发，研究了齿轮行星轮系中存在的非对称边带频特征和形成机理，建立了行星轮系调制边带频分析模型，探讨了行星轮系的齿数、啮合相位等基本参数以及激励阶次对边带频特征的影响，获得可以根据已知参数预估行星轮系边带频特征的通用判定方法，并通过这种方法来改善由非对称边带频引起的噪声问题，最后在实际工程设计中，利用实验验证了该方法的有效性。
　　⑤针对某开发中的手动变速箱开展动力学实验研究，分别搭建了传动误差和动态特性测试平台，比较档位齿轮传动误差的仿真和实验结果较为吻合，获得变速箱不同工况下的固有特性和动态响应，基于阶次跟踪方法分析了主要的振动成分，对比了仿真与实验以及传动误差优化前后的结果，验证了从传动误差激励入手减小振动噪声的有效性。

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1 绪 论

1.1 课题背景及研究的意义

1.2 齿轮传动系统动态特性及降噪研究现状

1.3 齿面摩擦激励的动力学研究现状

1.4 齿轮拍击动力学研究现状

1.5 行星齿轮传动非对称边带频研究现状

1.6 本文主要内容

2 齿轮摩擦激励的动力学特性研究

2.1 引言

2.2 动力学模型的建立

2.3 实例模型分析

2.4 结果分析及讨论

2.5 实验分析

2.6 本章小结

3 传动误差激励的动态特性分析与降噪研究

3.1 引言

3.2 动力学模型的建立

3.3 耦合模型动力学固有特性分析

3.4 基于遗传算法的齿廓修形优化分析

3.5 档位齿轮修形的鲁棒性分析

3.6 本章小结

4 啮合激励调制的边带频特征与机理分析

4.1 引言

4.2 啮合激励调制边带频分析模型的建立

4.3 行星轮边带频信号仿真

4.4 实验分析

4.5 本章小结

5 齿轮拍击激励的动力学特性研究

5.1 前言

5.2 齿轮拍击主要因素分析

5.3 驱动工况的单对齿拍击分析

5.4 五档机械式变速箱拍击分析

5.5 本章小结

6 传动误差及变速箱动态特性实验研究

6.1 前言

6.2 传动误差实验

6.3 变速箱箱体模态测试实验

6.4 变速箱动态测试实验

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

附录