高温环境下圆柱直齿轮动态特性分析及修形参数优化

摘要

随着我国科学技术与生产力的发展，各领域对齿轮传动系统的服役性能有了更高的要求，尤其是在航空航天领域，对在更高转速，更高温度以及更高传动功率等方面有了更为严苛的要求。　　齿轮传动系统是一个高度非线性的复杂系统，尤其在高温环境下，热变形导致齿形轮廓、齿侧间隙以及齿轮对中心距等参数偏离原设计值，从而使得基于低温环境下的最优修形参数在新高温环境中所能发挥的效用大打折扣，进而加剧齿轮啮合振动。本文以某航空高温高速齿轮系统中的一对轻载圆柱直齿轮为分析对象，以高温下的热变形为重点开展研究，分析了高温和常温下高速轻载齿轮动态系统中齿轮动态响应的差异，并对高温热变形对齿轮系统的影响机理从不同角度进行了展示；探究了不同工况（温度、阻力矩、转速）条件与齿轮修形最佳曲线的关系，并对高温热变形导致的各因素变化对齿轮静态传递误差峰峰值的影响规律和灵敏度进行了分析；在以上分析的基础上对齿轮修形参数（修形量和修形曲线）进行优化，改善了因高温热变形导致的齿轮动态特性恶化问题。工作和结论如下：　　①数值分析模型建立与验证。分别建立无轴系齿轮啮合、有轴系齿轮啮合以及带箱体柔性支撑的齿轮啮合共三个不同结构的有限元模型。通过对无轴系齿轮对接触刚度，齿轮对三向接触力及合力进行校验确保模型及参数设置的正确性。　　②高温常温工况下齿轮动态特性对比。对模型2和模型3这两个不同结构齿轮啮合模型进行200摄氏度高温及常温下的瞬态动力学分析，由简到繁逐次分析高温对这两个不同结构齿轮啮合动态特性的影响,结果显示，高温对两种结构齿轮啮合均产生了影响。　　③高温条件下齿轮动态特性影响因素分析。在高温环境下，轮齿齿廓、箱体支撑、齿轮对轴心线状态、齿侧间隙以及齿面摩擦等因素发生了变化，是高温下齿轮系统发生变化的主要特征，本文视以上几种因素为单变量，对齿轮啮合进行瞬态动力学分析分析，系统性的分析高温对齿轮系统的影响机理。　　④齿廓修形参数对齿轮对动态特性的影响。对不同修形曲线修形后的齿廓方程进行推导，通过MATLAB得到修形后齿廓曲线，并在此基础上进行有限元模型的建立与分析，以动态接触力为指标对不同修形量及修形曲线对齿轮对动态特性的影响进行了评价，并对三种不同修形曲线（直线修形、日高寺内修形曲线和Walker修形曲线）对变工况（不同转速，不同阻力矩以及不同温度）的适应性进行分析。结果显示，修形量大小和修形曲线类型对齿轮啮合有明显影响，不同修形曲线在不同工况下适应性有明显差异。　　⑤齿侧间隙等变量对齿轮静态传递误差影响规律和灵敏度分析，以及带箱体齿轮系统的优化验证。基于Kriging建立代理模型，代理模型自变量为齿侧间隙、中心距以及修形量三个，因变量为静态传递误差峰峰值，在代理模型精度验证满足条件的基础上对齿侧间隙、中心距以及修形量三个因素连续变化情况下对齿轮对静态传递误差的影响规律和灵敏度进行分析，并综合以上分析就修形量和修形曲线两个方面对齿轮进行优化验证。优化结果显示，齿轮啮合力曲线峰峰值和箱体应力均有一定下降。

目录

1 绪 论

1.1研究背景及研究意义

1.2齿轮动力学研究现状

1.2.1国内研究现状

1.2.2国外研究现状

1.3齿轮修形研究现状

1.4本文主要研究内容及方法

2 高温与常温条件下单级齿轮系动态特性分析

2.1.1建立三维模型

2.1.2建立边界条件

2.2.1计算参数验证

2.2.2准静态仿真结果验证

2.3.1热变形基本理论

2.3.2齿轮系统热变形计算

2.4高温与常温下单级齿轮系动态特性对比分析

2.4.1高温与常温下带轴单级齿轮系动态特性对比分析

2.4.2高温与常温下箱体支撑下单级齿轮系动态特性对比分析

2.5本章小结

3 高温对齿轮动态特性影响机理分析

3.1啮合刚度意义及其计算方法

3.1.1啮合刚度定义

3.1.2基于势能原理的解析法

3.1.3基于有限元的数值计算方法

3.2渐开线齿廓热变形的影响

3.3.1轴心线平行错位的影响

3.3.2轴心线相交错位的影响

3.4高温下侧隙变动对齿轮动态特性的影响

3.5高温下齿面摩擦系数变化对齿轮动态特性的影响

3.6高温下箱体刚度变化对齿轮动态特性的影响

3.7本章小结

4 修形对齿轮动态特性的影响

4.1齿轮修形理论

4.2.1修形参数与修形齿廓方程推导

4.2.2修形齿廓建立

4.3不同修形参数对理想齿轮动态特性的影响

4.3.1最大修形量对齿轮动态特性的影响

4.3.2修形曲线对齿轮动态特性的影响

4.4不同修形曲线对变工况的适应性

4.4.1不同修形曲线对转速变动的适应性

4.4.2不同修形曲线对阻力矩变动的适应性

4.4.3不同修形曲线对不同稳态温度的适应性

4.5本章小结

5 高温高速圆柱直齿轮系统减振优化设计

5.1代理模型介绍

5.1.1 Kriging模型

5.1.2多项式响应面模型

5.2建立代理模型

5.2.1确定模型及参数域

5.2.2选取样本点

5.2.3模型建立与校核

5.3设计空间内齿轮静态传递误差峰峰值的变化趋势

5.4齿轮系统优化设计

5.4.1模型介绍

5.4.2优化前后对比齿轮对动态特性对比

5.5本章小结

6 总结与展望

6.1全文总结

6.2工作展望

参考文献

附 录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

C. 学位论文数据采集

致谢