含剥落故障的直齿轮系统啮合特性及振动响应研究

摘要

齿轮转子系统在实际生产和日常生活中有着重要的地位，同时其也是机械传动系统中得到最广泛应用的一种形式。而对直齿轮系统的研究又是对齿轮转子系统研究的基础，为了更好地研究这一传动系统，齿轮故障是必不可少的研究内容，在各种齿轮故障中剥落是一种常见的形式，也是闭式齿轮传动主要失效形式之一。所以本文要针对的研究对象为包含剥落的故障齿轮系统，并主要通过啮合特性和振动响应两个方面进行研究，具体如下: (1)本文总结了各种的健康直齿轮时变啮合刚度的传统法解析方法，并利用这些方法进一步给出了多种剥落直齿轮副时变啮合刚度模型，对比了不同模型获得的时变啮合刚度和振动响应。研究表明剥落对齿轮时变啮合刚度在影响区内有一定的削弱且不同方法的削弱量相近，也可以发现随着考虑的因素越来越多，啮合刚度结果更接近实际啮合情况，解析法与有限元方法之间的相对误差也逐渐缩小。 (2)考虑延长啮和、基体修正系数、非线性接触刚度和齿轮局部剥落的影响，提出了含剥落直齿轮的时变啮合刚度的横切解析法，分析了局部剥落宽度、局部剥落长度、局部剥落位置和局部剥落深度对齿轮时变啮合刚度的影响，并与有限元方法的结果进行对比证明了模型的有效性。研究结果表明解析法获得的时变啮合刚度和有限元方法得到的结果在剥落宽度较小的时候吻合的比较好，当剥落的宽度增加时，时变啮合刚度在剥落出现或结束时发生越来越剧烈的变化，尤其在单齿啮合区范围内。 (3)基于含剥落直齿轮的时变啮合刚度的横切解析法分析了不同带状剥落情况下齿轮副的时变啮合刚度，并与有限元模型的结果进行对比，证明了解析模型结果的有效性，研究表明当剥落长度相同时不同的剥落形状对应的时变啮合刚度曲线变化趋势不同，矩形剥落出现突变，圆形剥落的削弱量最大。剥落面积相同时结果类似。 (4)采用变截面悬臂梁竖切方法，提出了另外一种计算剥落直齿轮的时变啮合刚度的改进解析法，并与横切解析法和有限元方法在时变啮合刚度和振动响应方面进行对比，揭示了竖切解析法在处理带状剥落的优势。研究表明对于局部剥落，竖切解析法得到的结果和横切解析法趋势相同，结果相似，对于带状剥落，竖切解析法更接近有限元方法的结果，可以更有效地模拟带状矩形剥落。

目录

论文说明

声明

摘要

符号表

第1章绪论

1．1本文研究的目的和意义

1．2国内外研究现状及发展动态分析

1．2．1时变啮合刚度研究现状

1．2．2齿轮系统动力学研究现状

1．3本文研究的主要内容

第2章基于不同模型的齿轮系统时变啮合刚度及响应分析

2．1概述

2．2时变啮合刚度模型

2．2．1健康齿轮时变啮合刚度模型

2．2．2剥落齿轮时变啮合刚度模型

2．3模型对比

2．3．1健康齿轮副啮合刚度计算

2．3．2剥落齿轮副啮合刚度计算

2．4响应分析

2．4．1健康齿轮副响应分析

2．4．2剥落齿轮副响应分析

2．5本章小节

第3章局部剥落齿轮副的啮合特性及振动响应分析

3．1概述

3．2剥落齿轮副时变啮合刚度计算模型

3．3包含边缘变形的剥落时变啮合刚度计算模型

3．3．1边缘参与啮合的相关角度求解

3．3．2边缘变形的起始点和结束点确认

3．3．3边缘变形处时变啮合刚度计算

3．4模型验证

3．4．1包括边缘变形的剥落宽度对比

3．4．2包括边缘变形的剥落长度对比

3．4．3包括边缘变形的剥落位置对比

3．4．4包括边缘变形的剥落深度对比

3．5响应分析

3．5．1剥落宽度的影响

3．5．2剥落长度的影响

3．5．3剥落位置的影响

3．6本章小结

第4章带状剥落齿轮副的啮合特性及振动响应分析

4．1概述

4．2带状剥落的时变啮合刚度计算模型

4．2．1矩形带状剥落的时变啮合刚度计算模型

4．2．2椭圆带状剥落的时变啮合刚度计算模型

4．3带状剥落模型验证

4．3．1矩形剥落形成的带状剥落时变啮合刚度对比

4．3．2椭圆形剥落形成的带状剥落对比

4．4剥落形状对时变啮合刚度的影响

4．4．1相同剥落长度、不同剥落形状下时变啮合刚度对比

4．4．2相同剥落面积、不同剥落形状下时变啮合刚度对比

4．5剥落形状对振动响应的影响

4．5．1相同剥落长度、不同剥落形状的振动响应对比

4．5．2相同剥落面积、不同剥落形状的振动响应对比

4．6小结

第5章基于改进解析模型的剥落齿轮啮合特性分析

5．1概述

5．2剥落齿轮时变啮合刚度的竖切解析法计算模型

5．2．1单片齿轮时变啮合刚度模型

5．2．2考虑基体修正系数和延长啮合的剥落齿轮时变啮合刚度计算模型

5．2．3竖切通用时变啮合刚度模型

5．3竖切解析法模型验证

5．3．1局部剥落时变啮合刚度对比

5．3．2带状剥落时变啮合刚度对比

5．4通用模型应用与响应分析

5．4．1带状剥落相同剥落长度不同形状的振动响应分析

5．4．2带状剥落相同面积不同形状的振动响应分析

5．5总结

6．1研究结论

6．2主要创新点

6．3研究展望

参考文献

致谢

附录