基于热固耦合的双渐开线齿轮振动分析

摘要

长期以来，齿轮系统动力学的研究大多是在单领域进行，而齿轮实际运行的状态是各种机械行为同时作用的结果，这样就存在着不容忽视的耦合问题。双渐开线齿轮在高速重载的传动条件下，齿轮啮合将会产生大量的热。在前人研究基础上，基于齿轮温度场和应力场的耦合所产生的热应力对齿轮系统动态特性产生的影响，对双渐开线齿轮传动进行模态分析。这样可以更真实地模拟双渐开线齿轮的工作状态，也为普通齿轮振动分析提供更多的新思路。受山东省自然科学基金（编号：ZR2014EEM003)“双渐开线齿轮系统弹流润滑与动力学行为的耦合作用”资助，本文主要进行了以下研究：
　　1）对双渐开线齿轮传动动力学模型进行推导，并建立了双渐开线齿轮传动的扭转振动模型。根据双渐开线齿轮齿面形成原理，得出双渐开线齿轮的法面齿廓和端面齿廓并给出了双渐开线齿轮端面齿廓方程。应用Solidworks软件，对双渐开线齿轮进行三维参数化建模和装配，为双渐开线齿轮传动的有限元分析提供了关键模型。
　　2）将双渐开线齿轮传动与普通渐开线齿轮传动进行对比，通过模态分析研究双渐开线齿轮齿腰分阶对齿轮传动动态特性的影响。利用响应面分析法，研究齿轮的材料刚度和啮合刚度对系统振动变形和模态频率的影响规律。在工况和其他参数不变的情况下，通过改变阶梯参数，研究齿轮传动动态性能的变化规律。
　　3）与普通渐开线齿轮进行对比，求解双渐开线齿轮的边界条件，并进行温度场有限元分析，从而获取两种齿轮的温度场分布，研究了分阶齿廓参数对齿轮温度场分布的影响规律。
　　4）运用顺序耦合法对双渐开线齿轮传动进行了热固耦合分析，并与同参数渐开线斜齿轮进行了对比。将静力学结构场和瞬态动力学结构场分别与温度场进行热固耦合分析，利用响应面法考察最大温度和最大热应力分别随时间和扭矩的变化规律。
　　5）分别对双渐开线齿轮传动进行自由模态分析、约束模态分析、考虑预应力的模态分析以及基于热固耦合的模态分析，并将其在静止、转动以及热固耦合三个条件下的模态频率和振型进行对比分析。

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英文摘要

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符号说明

1 绪论

1.1课题研究的背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文研究的主要内容

2双渐开线齿轮传动模态分析

2.1齿轮传动基础理论

2.2齿轮传动三维模型的建立

2.3双渐开线齿轮模态分析

2.4齿轮啮合刚度对双渐开线齿轮传动系统模态影响

2.5 阶梯参数对双渐开线齿轮动态特性的影响

2.6本章小结

3双渐开线齿轮传动温度场分析

3.1温度场分析的意义及方法

3.2双渐开线齿轮发热量计算

3.3齿轮热量传递

3.4双渐开线齿轮传动温度场有限元分析

3.5阶梯参数对温度场的影响

3.6本章小结

4双渐开线齿轮的热固耦合分析

4.1热固耦合

4.2双渐开线齿轮热固耦合分析

4.3瞬态动力学结构场与温度场的耦合

4.4 本章小结

5双渐开线齿轮不同条件下的模态分析

5.1考虑预应力的模态分析

5.2基于热固耦合的模态分析

5.3三种条件的模态对比

5.4本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

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