高速大功率密度齿轮传动系统动态特性及阻尼环减振研究

摘要

齿轮作为一种传递运动和动力的基础件，被广泛应用于机械、汽车、风电、航空、航天及船舶等领域。为提高传动效率和适应其它特殊工况的苛刻性要求，使现代齿轮传动系统普遍朝着高速、大功率密度、低噪声、一体化等方向发展。因齿轮轻量化而导致其柔性变形增加、固有频率值下降而产生更多的共振区，从而使齿轮传动系统振动噪声增大、稳定性变差。因此，本文以高速大功率密度齿轮传动系统为研究对象，分析考虑齿轮轻量化、阻尼环减振的齿轮传动系统动态特性。研究结果对于认识高速大功率密度齿轮传动系统动态特性、指导阻尼环减振技术、轻量化齿轮设计等具有重要理论和实际工程应用价值。
　　本文首先基于集中参数法建立附加阻尼环的齿轮传动系统弯-扭-轴耦合刚体动力学模型，并对其动力学方程进行无量纲化处理。同时，利用滚动轴承拟动力学理论和有限元方法，给出一种考虑齿轮传动系统结构和工况参数、转轴弹性变形的转轴-轴承结合部等效刚度的计算方法。该算法可以计算转轴-轴承结合部的静态和动态等效刚度。研究表明：当激励转速为系统临界转速时，转轴-轴承的动态等效刚度将会出现峰值；载荷增加后，转轴-轴承的轴向动态等效刚度趋近于放松端支承轴承的轴向刚度。
　　基于附加阻尼环的齿轮传动系统弯-扭-轴耦合刚体动力学模型，采用Runge-Kutta法研究轮齿啮合刚度、传递误差和阻尼环等激励因素对系统动态特性的影响。结果表明：对高速大功率密度齿轮，可利用增加辐板阻尼的方式来抑制其因齿轮轻量化而造成的系统响应振幅的增大。阻尼环能够显著抑制齿轮传动系统的振动响应；通过优化阻尼环外圆直径（即阻尼环与轮缘间的过盈量）、厚度、宽度等结构参数可使齿轮传动系统获得最优的减振效果。
　　考虑齿轮、阻尼环的大柔度变形，采用模态缩减法和多体动力学软件Adams相结合的方法，建立附加阻尼环的齿轮传动系统刚柔耦合多体动力学模型。在考虑接触弹塑性变形和轮齿间滞回阻尼特性的基础上，提出了一种改进的大接触变形弹性体间碰撞恢复系数计算方法，该方法适用于弹性变形、弹塑性变形和有限塑性变形的弹性体动态接触特性分析。同时基于此模型的研究表明：辐板和轮缘厚度的增加能够有效抑制齿轮轮缘和辐板轴向振动变形的波动幅度；稳定工况下，平口式阻尼环使得齿轮轮缘、辐板轴向振动幅值的波动幅度出现了大幅度下降。变工况下，平口式阻尼环不但可以大幅度的抑制齿轮轴向振动幅值的波动幅度，还能够显著的抑制轴向啮合力边频振动幅值。
　　为研究高速、油润滑等实际工况下，轻量化齿轮、阻尼环等对齿轮传动系统动态特性影响及实际工程化的需求，本文设计并研制最高输入转速为24kr/min、油润滑、激励转速和载荷可调的高速齿轮试验器。基于该试验器的试验研究表明：对高速大功率密度齿轮传动系统，在15～24kr/min激励转速范围内，齿轮轮缘、辐板轴向振动幅值随着激励转速增加而出现大幅度的增加。相对齿轮轮缘，齿轮辐板的轴向振动对载荷变化更加敏感。稳定工况下，阻尼环能够有效抑制齿轮辐板的轴向振动且降幅比达到了31.5％～71.4%。同时本文还研究断口卡簧式、平口式，平口滚花式阻尼环对齿轮传动系统动态特性的影响，其中平口式滚花式阻尼环对齿轮传动系统轴向振动幅值的抑制、系统辐射噪声的降低等效果最为明显。变工况下，阻尼环能够有效的抑制齿轮轮缘、辐板轴向振动幅值的大幅度波动，缩短变工况的过渡时间，并对齿轮传动系统具有明显的调频降幅作用。最后通过理论和试验的对比分析表明：利用附加阻尼环的齿轮传动系统刚体、刚柔耦合动力学模型所得动态特性结果与试验所得结果的变化趋势相同，但在具体数值上有一定差距。

目录

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 附加阻尼环的齿轮传动系统刚体动力学模型研究

2.1 引言

2.2 附加阻尼环的齿轮传动系统弯-扭-轴耦合刚体动力学模型

2.3 齿轮传动系统转轴-轴承结合部刚度阻尼分析

2.4系统工况和结构参数对转轴-轴承等效刚度的影响

2.5 本章小结

第3章 高速大功率密度附加阻尼环的齿轮传动系统动态特性研究

3.1 引言

3.2 轮齿啮合及辐板的刚度阻尼分析

3.3 齿轮轮缘与阻尼环间的摩擦特性分析

3.4 高速大功率密度附加阻尼环的齿轮传动系统动态特性分析

3.5 本章小结

第4章 附加阻尼环的齿轮传动系统刚柔动力学模型及动态特性研究

4.1 引言

4.2 附加阻尼环的齿轮传动系统刚柔耦合多体动力学模型

4.3 轮齿接触特性分析

4.4 稳定工况下附加阻尼环的齿轮传动系统动态特性分析

4.5 变工况下附加阻尼环的齿轮传动系统动态特性分析

4.6本章小结

第5章 高速大功率密度齿轮传动系统动态特性的试验研究

5.1 引言

5.2 高速齿轮试验器的研制

5.3 试验器的运行可靠性

5.4 稳定工况下附加阻尼环的齿轮传动系统动态特性试验研究

5.5 变工况下附加阻尼环的齿轮传动系统动态特性的试验研究

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其它成果

声明

致谢

个人简历