基于Stribeck模型考虑齿面摩擦的齿轮动力学特性研究

摘要

齿轮传动系统是各类机械系统和机械装备的主要传动系统，其动态特性直接影响整个系统的性能和工作可靠性，因此研究齿轮系统的动力学特性对降低系统振动噪声，提升我国制造装备行业整体水平的都有积极地意义。
　　本文以一啮合直齿为研究对象，利用非线性动力学的相关理论，分析考虑齿面摩擦、刚度激励、误差激励、齿侧间隙对系统动力学的影响。论文的研究内容如下：
　　(1)介绍齿轮动力学的研究现状，分析齿面摩擦对动力学特性的影响，并介绍了啮合齿面摩擦因数不同的计算方法，分析出现的弊端，指出利用Stribeck摩擦模型计算齿面摩擦因数比较合理，本文的研究方向确定。
　　(2)分析研究基于Stribeck模型的齿面摩擦因数的变化情况。由于Stribeck摩擦模型是摩擦因数相对于速度的函数，因此，首先分析啮合齿面间的相对滑动速度，然后得出齿面摩擦因数的变化情况。
　　(3)根据啮合齿对交替变化的情况，建立双啮合时齿轮系统振动微分方程，利用变步长Runge-Kutta法并对其进行数值分析，得出阻尼比、激励频率、载荷、齿侧间隙对系统动力学的影响。
　　(4)建立单啮合时齿轮系统振动微分方程并对其进行数值分析。为更加明显的分析Stribeck摩擦模型对齿轮动力学的影响的不同，引入Coulomb模型，分析阻尼比、激励频率、载荷、齿侧间隙对系统的影响，同时得到时变摩擦因数、固定摩擦因数、无摩擦因数对系统的影响。
　　(5)利用ANSYS/LS-DYNA软件，分析啮合过程中的碰撞冲击问题，分析转速、摩擦因数、外载荷三参数对啮合齿轮动力学的影响，验证建模分析的准确性。
　　本文研究表明:增大阻尼比，远离共振区域、增大载荷、减小齿侧间隙可以减小运动变化的幅值，减弱碰撞冲击，增加系统的动力学稳定性;在齿轮动力学分析中，齿面摩擦不可忽略，对减小系统运动幅值、增加系统稳定性有积极地影响;相比于Coulomb摩擦，基于Stribeck模型的时变齿面摩擦因数在系统阻尼比小、接近共振区域、载荷小、间隙大时，可增大系统运动幅值，增加系统的次谐波，降低系统的稳定性。

目录

论文说明

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 齿轮系统动力学的研究现状

1．3 考虑齿面摩擦的齿轮系统动力学研究

1．4 Stribeck摩擦模型在齿面摩擦动力学中的应用

1．5 本文的主要研究内容和方法

第2章 基于Stribeck模型的齿面摩擦分析和非线性动力学基础

2．1 齿轮动力学激励分类

2．1．1 啮合刚度激励

2．1．2 误差激励

2．1．3 齿侧间隙

2．2 基于Stribeck摩擦模型的齿面摩擦因数分析

2．2．1 齿面啮合速度的变化

2．2．2 基于Stribeck模型的摩擦因数

2．3 非线性动力学基础

2．3．1 相轨迹与相平面

2．3．2 平衡点及其稳定性

2．3．3 周期运动和点映射系统

2．3．4 超谐波和亚谐波晌应

2．3．5 动力学方程分析的基本方法

2．4 本章小结

第3章 双啮合区微分方程的建立及其数值分析

3．1 双啮合区微分方程的建立

3．2 双啮合区的数值分析

3．2．1 阻尼比对系统的影响

3．2．2 激励频率对系统的影响

3．2．3 载荷对系统的影响

3．2．4 齿侧间隙对系统的影响

3．3 本章小结

第4章 单啮合区微分方程的建立及其数值分析

4．1 单啮合区微分方程的建立

4．2 不同摩擦模型下单啮合区的数值分析

4．2．1 阻尼比对系统的影响

4．2．2 激励频率对系统的影响

4．2．3 载荷对系统的影响

4．2．4 齿侧间隙对系统的影响

4．3 本章小结

第5章 基于ANSYS／LS-DYNA的齿轮动力学分析

5．1 基于ANSYS／LS-DYNA的齿轮传动系统分析步骤

5．1．1 建立直齿轮啮合几何模型

5．1．2 选择单元

5．1．3 设置实常数和材料属性

5．1．4 划分网格

5．1．5 定义PART

5．1．6 定于接触的类型

5．2 求解结果及其分析

5．2．1 转速对系统的影响

5．2．2 摩擦因数对系统的影响

5．2．3 载荷对系统的影响

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

附录：发表论文与参与项目情况