汽车变速器齿轮传动系统非线性动力学特性研究

摘要

汽车变速器是汽车动力传动系统中的关键部件之一，其工作性能的优劣直接影响到汽车的各项性能指标，随着汽车工业的不断发展，对变速器载荷、速度及其振动特性等性能提出了更高的要求。齿轮传动系统是变速器的核心部件，在其他工业领域中也发挥着举足轻重的作用。因此，研究变速器齿轮传动系统动力学特性，确保系统正常、安全运行，降低设备的维修费用具有十分重要的意义。
　　汽车变速器齿轮传动系统本质上是一个时变参数与间隙非线性共存的多自由度非线性系统，它所描述的齿轮系统动力学行为具有自身的复杂性。本论文以某型汽车变速器为基本研究对象，结合齿轮动力学、转子动力学、传递矩阵法、材料力学、分析力学、理论力学、非线性振动、随机振动及混沌动力学等理论和技术，对齿轮传动系统的固有模态的求解、参数对系统振动特性的影响、运行状态识别和预测、动力学特性的分析等多方面问题进行了研究。主要工作如下:
　　(1)通过推导模型的内力方程，综合考虑弯、扭、剪切变形耦合及陀螺力矩的影响，提出适用于齿轮传动系统的典型部件的各向异性传递矩阵表达式，扩展了应用范围;将汽车变速器齿轮传动系统简化为集中参数模型，利用整体传递矩阵法求解出该系统的固有频率和振型，并与有限元方法的计算结果进行比较，验证了该方法的正确性。
　　(2)基于汽车变速器齿轮传动系统盘轴截面变化不大的特点，应用集总参数法获得变速器齿轮传动系统非线性动力学模型，计算其线性模态，并对比了采用有限元法的该模型的固有频率及振型;此外，采用有限元法计算忽略轴向窜动的简化模型的固有频率，并与整体传递矩阵法的结果进行比较;以上分析结论为齿轮系统非线性问题的研究奠定了基础。
　　(3)采用有限元等方法计算并推导出斜齿轮非线性动态啮合力的函数表达式，利用拉格朗日方程、柔度系数等方法，建立非对称弹性支承，两端具有集中质量，轴段具有不同抗弯刚度、抗扭刚度，考虑齿侧间隙-时变刚度的斜齿轮传动系统动力学微分方程;重点讨论了时变啮合刚度参数振动的影响，分析了齿侧间隙强非线性下的动力学行为，提取典型特征，为故障诊断提供依据;讨论了工作转速下结构参数的影响，校核变速器齿轮传动系统实际运行的可靠性。
　　(4)建立汽车变速器三档斜齿轮副有限元动力学模型，研究了齿轮啮合过程中的应力、应变及运动特征量分布特点;绘制出齿轮啮合过程中的时变啮合力曲线，提取了该曲线的频率成分;比较齿侧间隙故障情况下和正常啮合情况下的啮合力曲线，得到两种不同情况下啮合力的变化特点，提取出故障特征，为判断齿侧间隙故障的发生提供依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题的背景及意义

1．2 汽车变速器齿轮传动系统国内外研究现状

1．2．1 齿轮传动系统模态研究现状

1．2．2 齿轮传动系统非线性响应研究现状

1．2．3 齿轮传动有限元动力学响应研究现状

1．3 论文的主要研究内容

第2章 基于整体传递矩阵法的变速器齿轮传动系统模态分析

2．1 引言

2．2 整体传递矩阵法

2．3 齿轮传动系统典型部件的传递矩阵

2．3．1 带支承的刚性薄圆盘传递矩阵

2．3．2 无质量等截面弹性轴段的传递矩阵

2．3．3 斜齿轮传递矩阵

2．4 变速器齿轮传动系统的离散化

2．5 模态求解

2．6 本章小结

第3章 变速器齿轮传动系统非线性模型的建立与讨论

3．1 引言

3．2 齿轮传动系统非线性动力学模型的建立

3．3 集中参数模型有限元模态分析

3．4 连续体模型有限元模态分析

3．5 结果分析与讨论

3．6 本章小结

第4章 变速器齿轮传动系统非线性动力学特性分析

4．1 引言

4．2 斜齿轮传动系统动力学方程的建立

4．2．1 齿轮轴转子系统动能

4．2．2 齿轮轴转子系统势能

4．2．3 斜齿轮传动系统耗散函数表达式

4．2．4 偏心激励表达式

4．2．5 斜齿轮传动系统动力学方程

4．3 斜齿轮非线性动力学方程

4．3．1 时变啮合刚度及其曲线的拟合

4．3．2 齿侧间隙振-冲模型

4．3．3 齿轮非线性动态啮合力

4．4 斜齿轮传动系统非线性动力学响应分析

4．4．1 时变啮合刚度非线性情况

4．4．2 齿侧间隙非线性情况

4．5 本章小结

第5章 基于LS-DYNA的变速器齿轮传动系统有限原动力学仿真分析

5．1 引言

5．2 LS-DYNA理论基础

5．3 斜齿轮副动力学响应计算

5．3．1 建立三档斜齿轮副几何模型

5．3．2 建立齿轮副有限元分析模型

5．3．3 求解

5．3．4 结果分析与讨论

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 本文创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文和科研情况