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齿轮振动可靠性与修形减振策略研究

袁哲  
【摘要】:齿轮传动系统在现代化的工业进程中有着无可替代的作用,在电力、能源、交通、国防和航空领域都得到了广泛的应用。发动机中的齿轮传动系统长期在高速、重载的条件下工作,同时必须满足低噪音、轻量化、高可靠性、长寿命的要求。因此,齿轮的振动可靠性和减小振动的齿廓修形研究对齿轮的设计具有重要意义。目前考虑振动的齿轮设计研究主要表现在齿轮固有特性和动态响应的研究方面,没有考虑齿轮参数的误差等随机因素的影响,而用概率描述随机性才更准确。因此有必要将可靠性理论引入齿轮的设计工作中,从振动的角度开展高速、重载齿轮的可靠性研究,并应用优化方法进行齿廓修形减振分析,这对提高齿轮的工作性能、可靠性都有重大的意义。 本研究从工程应用的角度出发,以直齿圆柱齿轮为研究对象,将遗传算法、修形理论、随机参数振动、非线性振动、动态可靠性理论等先进的理论和技术相结合,对齿轮系统的传递误差可靠性、非线性振动可靠性、结构频率可靠性,齿廓修形减振等多个方面进行了系统的研究,主要研究工作如下: (1)基于齿轮系统非线性振动模型,通过数值逐步积分法把随机参数的概率特征反映在系统的随机响应中,并将随机过程理论引入振动可靠性的计算中来,以单位啮合周期内振幅超差作为失效准则,形成了一种基于随机过程跨越分析方法的非线性随机参数振动可靠度计算方法。该方法针对齿轮非线性振动的复杂性,采用数值求解并直接对振动响应的概率分布进行评估,避免了近似算法的误差,可直接应用在工程设计中。 (2)为了寻找减振效果最好的修形参数,依靠参数化有限元建模模拟修形齿轮的啮合过程,并引入遗传算法,以减小齿轮啮合传递误差的波动作为目标,对直齿圆柱齿轮齿廓修形参数进行了高精度的优化设计,通过对设计结果进行减振效果分析,说明该方法准确,有效,能大幅度的减小齿轮的扭转振动。 (3)为了揭示齿轮系统振动非线性行为的本质,避免混沌振动状态,在考虑传递误差、时变啮合刚度、齿侧间隙的基础上,建立单间隙以及多间隙的齿轮系统非线性动力学模型,用数值方法对模型进行了求解,分析了系统的非线性动力学特性,从相图和Poincare图上定性判断了混沌性态,并计算了当频率比变化时系统的分岔图和Lyapunov指数图,利用Lyapunov指数定量识别了混沌振动,判断了混沌振动区域,为齿轮非线性振动的可靠性分析奠定了基础。 (4)为了研究修形参数对齿轮啮合传递误差可靠性影响,用响应面法获取齿轮副随机参数啮合传递误差的极限状态函数,并利用Monte-Carlo可靠性及可靠性敏感度分析方法获取传递误差振幅不超差的可靠度及可靠性敏感度。 (5)基于ANSYS软件的参数化设计语言APDL(ANSYS Parametric Design Language)分别建立了渐开线齿廓、齿廓直线修形和齿廓抛物线修形时的齿轮啮合参数化有限元模型。可以准确模拟具有随机参数的齿轮副的啮合过程,并对齿轮时变啮合刚度和齿轮传递误差进行了仿真计算。 (6)根据齿轮结构的固有频率与激振频率差的绝对值不超过规定值的关系准则,定义齿轮随机结构振动问题的系统可靠度,并结合直齿圆柱齿轮和弧齿锥齿轮提出避免共振的频率可靠性分析方法,讨论了随机参数统计特性的改变对齿轮结构频率可靠性的影响。所得结论为改善齿轮结构,保证齿轮系统的安全运行提供了理论依据。


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