斜齿轮系统热弹耦合及修形减振研究

摘要

随着工业技术的不断发展，高速重载齿轮系统已经广泛应用于交通运输、航天航空、船舶等行业，对高速重载齿轮系统的性能要求也越来越高，现阶段齿轮传动系统的热行为及振动噪声已成为研究的重点。本文以高铁牵引齿轮系统作为研究主体，基于摩擦学理论和赫兹接触理论，研究整个齿轮系统的热行为，包括对齿轮本体温度场的分布、接触面瞬态温度的分布、齿轮热变形以及热弹耦合接触分析等，为齿轮系统的修形设计提供了依据，最后通过数值分析方法，研究不同修形量对齿轮系统振动响应的影响规律，确定最佳的修形量。
　　本研究主要内容包括：⑴基于ANSYS-APDL参数化建模方法，由修形渐开线方程建立可以考虑不同齿顶修形量的斜齿轮啮合模型，这是轮齿的承载接触分析、热变形分析和热弹耦合分析的基础。⑵基于赫兹接触理论和摩擦学理论，通过有限元方法研究了齿轮系统温度场的分布规律。根据啮合面上接触压力、啮合齿面的相对滑动速度以及啮合面摩擦系数方程，推导出主、从动轮啮合面上的摩擦热流量计算公式。通过润滑方式和润滑油参数推导出齿轮齿面和端面的对流换热系数。将所求得的摩擦热流量和对流换热系数作为热载荷施加在轮体相应的面上，利用有限元方法得到齿轮副本体温度场的分布规律。⑶在齿轮系统本体温度场分析的基础上，通过有限元方法将齿轮本体温度场作为体载荷施加在啮合齿轮副上，分别进行齿轮系统的热变形分析和热弹耦合分析，并对齿轮系统进行了结构分析。通过对比结构分析和热弹耦合分析结果中齿轮变形和应力分布以及传动误差的分布，研究齿轮系统温度场对齿轮接触特性的影响，确定考虑齿轮系统热变形的齿廓修形参数，并将修形前后齿面温度场的分布结果以及修形前后热弹耦合分析结果进行对比。⑷基于热弹耦合分析结果，得到不同修形参数下的传递误差分布和啮合刚度分布。利用轴段单元法建立具有12个自由度的平行轴系斜齿轮转子系统动力学模型，将考虑齿廓修形量所得到的时变啮合刚度和传递误差作为内部激励，分别研究不同转速工况和定转速工况下齿廓修形对斜齿轮转子系统振动响应的影响规律，为最佳修形量的确定提供依据。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 齿轮齿廓修形研究现状

1．2．2 齿轮系统热分析研究现状

1．2．3 齿轮内部动态激励与振动特性研究现状

1．3 本文的主要研究内容

2 齿廓修形基本原理及斜齿轮参数化修形模型的建立

2．1 引言

2．2 齿廓修形基本理论

2．2．1 齿轮啮合传动特性

2．2．2 齿廓修形的基本原理

2．2．3 齿廓修形量的确定

2．3 考虑齿廓修形的斜齿轮参数化建模

2．3．1 标准斜齿轮齿廓方程

2．3．2 修形斜齿轮齿廓方程

2．3．3 斜齿轮参数化修形模型的建立

2．4 本章小结

3 斜齿轮齿面摩擦热流量和本体温度有限元分析

3．1 引言

3．2 齿面摩擦热流量的计算分析

3．2．1 齿面啮合曲率半径的计算

3．2．2 齿面相对滑动速度的计算

3．2．3 斜齿轮单位线载荷模型

3．2．4 斜齿轮副接触模型

3．2．5 齿面摩擦热流量的计算

3．3 齿面对流换热系数的计算分析

3．3．1 齿轮端面对流换热分析

3．3．2 轮齿齿面对流换热分析

3．4 斜齿轮本体温度场有限元分析

3．4．1 齿轮温度场热平衡方程

3．4．2 齿轮有限元热边界条件的施加

3．4．3 斜齿轮瞬态本体温度场分析结果

3．4．4 有限元本体温度场与ISO本体温度对比

3．5 本章小结

4 基于热弹耦合的斜齿轮接触特性研究

4．1 引言

4．2 斜齿轮传动系统的热变形分析

4．3 斜齿轮热弹耦合有限元接触分析

4．3．1 斜齿轮热弹耦合分析模型和载荷

4．3．2 斜齿轮热弹耦合应力分析

4．3．3 斜齿轮热弹耦合变形分析

4．4 基于热弹耦合分析的斜齿轮齿廓修形设计

4．4．1 斜齿轮热弹耦合传递误差分析

4．4．2 基于热弹耦合分析的齿廓修形设计

4．5 考虑齿廓修形的斜齿轮热弹耦合特性分析

4．5．1 齿廓修形对齿面温度场的影响

4．5．2 齿廓修形对齿轮应力的影响

4．5．3 齿廓修形对齿轮传递误差的影响

4．6 本章小结

5 考虑修形的斜齿轮转子系统振动响应研究

5．1 引言

5．2 齿轮系统时变啮合刚度分布

5．2．1 斜齿轮传动系统时变啮合刚度

5．2．2 齿廓修形对啮合刚度的影响

5．3 斜齿轮转子系统动力学模型的建立

5．3．1 轴段单元模型

5．3．2 斜齿轮副啮合单元模型

5．3．3 轴承单元模型

5．3．4 斜齿轮转子系统动力学模型

5．4 考虑齿廓修形的斜齿轮转子系统振动响应分析

5．4．1 齿轮转子系统固有特性分析

5．4．2 考虑齿廓修形的齿轮转子系统不同转速下的振动响应

5．4．3 考虑齿廓修形的齿轮转子系统定转速下的振动响应

5．5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢