汽车螺旋锥齿轮传动耦合非线性振动研究

摘要

螺旋锥齿轮包括弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮是汽车和工程机械传动系统的重要组成部分，其工作性能对整个传动系统有着至关重要的影响。随着汽车车速和功率的提高，汽车螺旋锥齿轮传动正朝着高速、重载方向发展，其动力学行为的研究便成为国内外学者所关注的课题，由于我国汽车齿轮振动噪声普遍比国外产品严重，因此汽车螺旋锥齿轮耦合非线性动力学行为的研究更是工程实际中亟待解决的重要课题之一。 由于润滑和安装的需要，以及制造、加工、安装等过程中出现的误差和齿轮传动过程中的磨损，使得齿轮啮合不可避免地出现齿侧间隙，再加上轮齿刚度的时变性，弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮传动系统便成为一种参数激励且具有时变啮合刚度的间隙非线性系统。弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮传动系统的耦合非线性振动特性的研究，不仅对于汽车螺旋锥齿轮的动态设计具有重要的实用价值，而且具有重要的理论意义。 本文基于国家自然科学基金项目“高速汽车传动三维多点接触碰撞动力学仿真及物理模拟”(批准号：50075088)的资助，围绕汽车螺旋锥齿轮耦合非线性动力学问题进行了相关研究。在弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮传动系统的耦合振动、三维冲击动力接触非线性特性和含时变啮合刚度和齿侧间隙的非线性振动特性等方面的研究取得了成果，论文的主要内容包括： 1.建立了弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮轮齿有限元分析模型，并结合动力接触有限元混合算法分析了轮齿的动态啮合性能。2.利用集中参数法建立了弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮传动系统多自由度的弯-扭-轴-摆耦合振动动力学模型和分析模型。模型中考虑了传动轴和轴承的弹性变形以及齿轮的啮合刚度激励、误差激励和啮合冲击激励。在此基础上建立了包括齿轮传动系统和结构系统的完整齿轮系统分析模型，对齿轮系统的动态响应进行了数值仿真分析。3.根据哈密尔顿原理推导了冲击动力接触问题的有限元运动微分方程，利用三维冲击动力接触有限元混合法编制了三维冲击动力接触问题的有限元程序，并对弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮的三维冲击动力接触特性进行了分析计算。4.对弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮传动间隙非线性系统进行三维冲击动力接触数值模拟，分析了齿侧间隙对轮齿受初速冲击、突加载荷冲击时齿面冲击接触力的影响，通过数值模拟，给出了齿面冲击接触力的变化规律。5.建立了弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮的间隙非线性动力学模型和变参数、弯扭耦合、包含多元非线性函数的多自由度非线性微分方程组，通过坐标变换，推导了齿轮系统无量纲非线性统一微分方程组，使方程组中的弹性恢复力项全部是统一形式的1元间隙非线性函数，便于求解和推广。6.采用5阶变步长自适应Runge-Kutta数值积分方法和Matlab软件的Simulink仿真工具箱对系统的无量纲统一微分方程进行了数值仿真分析，得到系统的单周期简谐响应、多周期次谐响应、拟周期响应和混沌响应等多种稳态响应结果。并结合响应的时间历程、相平面图、Poincaré映射图和FFT频谱图对得到的各类响应进行了详细的分析和比较。7.设计了准双曲面齿轮系统动态测试实验台，进行了试验模态测试和动态响应测试，实验结果与理论计算结果基本吻合。 本文在以下四个方面取得了创新性成果。(1)建立了弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮系统包括传动系统和结构系统的完整的分析模型；(2)建立了弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮系统动力分析模型并进行了动态响应分析；(3)进行了弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮三维冲击动力接触特性分析，研究了有关参数对齿面冲击力的影响；(4)进行了弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮含齿侧间隙、时变啮合刚度和传动误差时的非线性动力学分析。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.2齿轮系统动力学国内外研究概况

1.2.2齿轮非线性动力学研究现状

1.3弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮研究概况

1.3.1动力学方面

1.3.2汽车桥箱螺旋锥齿轮方面

1.4本文的研究内容

1.5本章小结

2弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮有限元建模

2.1引言

2.2齿面方程的建立

2.2.1齿面啮合定理

2.2.2大轮齿面接触点几何特性参数

2.2.3小轮齿面接触点几何特性参数

2.2.4齿轮副接触点的共轭接触计算条件

2.2.5大小轮齿面坐标系的建立

2.3齿面有限元网格的划分

2.4轮齿边界条件及外载荷处理

2.5轮齿有限元分析模型的建立

2.6本章小结

3弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮传动系统的耦合振动分析

3.1引言

3.2孤齿锥齿轮和准双曲面齿轮传动系统的耦合振动分析模型的建立

3.2.1齿轮系统振动分析模型

3.2.2弧齿锥齿轮传动系统动力学方程

3.3等效质量、等效刚度和等效阻尼

3.3.1横向弯曲振动方向

3.3.2轴向振动方向

3.3.3扭转振动方向

3.3.4扭摆振动方向

3.4轮齿啮合刚度系数和啮合阻尼系数

3.5系统的激励分析

3.5.1刚度激励

3.5.2误差激励

3.5.3啮合冲击激励

3.6分析模型求解及数值仿真分析

3.6.1分析模型求解方法

3.6.2计算结果及数值仿真分析

3.7本章小结

附图

4准双曲面齿轮系统振动动态响应分析

4.1引言

4.2准双曲面齿轮系统有限元模态分析

4.2.1齿轮系统有限元模型的建立

4.2.2齿轮系统有限元模态分析

4.3齿轮系统动态响应有限元分析方法

4.3.1齿轮箱动态响应计算方法

4.3.2准双曲面齿轮系统动力响应计算模型的建立

4.3.3齿轮箱轴承孔受载处理

4.4齿轮箱动态响应计算结果与分析

4.4.1齿轮箱表面法向加速度计算结果

4.4.2齿轮箱轴承座法向振动位移计算结果

4.5本章小结

5弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮三维冲击接触特性分析

5.1引言

5.2三维冲击—动力接触有限元混合算法

5.2.1两物体动力接触问题运动微分方程的建立

5.2.2动力接触面边界条件描述与接触状态判定

5.2.3冲击—动力接触问题有限元混合算法

5.3弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮三维冲击动力接触特性数值模拟

5.3.1轮齿的应力场和位移场

5.3.2齿轮初速冲击数值模拟

5.3.3齿轮突加载荷冲击数值模拟

5.3.4准双曲面齿轮间隙非线性振动分析

5.4本章小结

6弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮传动的非线性振动特性研究

6.1引言

6.2齿轮副非线性动力学模型与求解方法

6.2.1齿轮副非线性动力学模型

6.2.2齿轮副非线性动力学方程

6.2.3齿轮副非线性动力学求解分析方法

6.3弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮系统的非线性动力学模型与方程

6.3.1系统非线性动力学模型的建立

6.3.2系统非线性动力学方程及量纲一方程

6.4弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮系统非线性动力学方程求解及非线性动态特性分析

6.4.1系统非线性动力学方程求解方法

6.4.2系统非线性动力学方程求解

6.4.3系统动力学方程求解结果及非线性动态特性分析

6.5本章小结

7准双曲面齿轮动态特性测试实验研究

7.1引言

7.2准双曲面齿轮系统振动固有频率测试

7.2.1实验对象

7.2.2实验模态分析的基本原理

7.2.3实验模态测试方法和测试系统

7.2.4测点布置、传感器布置和信号采集

7.2.5准双曲面齿轮系统固有频率测试结果分析

7.3准双曲面齿轮系统动态响应测试

7.3.1实验装置的基本组成

7.3.2动态响应测试实验方法和过程

7.3.3动态响应测试实验结果及分析

7.4本章小结

8结论

致谢

参考文献

附录