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准双曲面齿轮副啮合性能优化与非线性动力学特性研究

王笑乐  
【摘要】:准双曲面齿轮副作为一种空间交错轴系间传动的齿轮机构,广泛应用于汽车主减速器,成为前、后驱动桥中的关键部件。近年来,由于汽车工业对传动系传动精度、承载能力及振动噪声性能的要求日趋严格,对准双曲面齿轮传动性能提出了更高的期望。准双曲面齿轮齿面形貌与加工过程密切相关,切齿工艺参数对啮合及传动性能有着显著影响。因此,有必要在现有加工技术和方法的基础上,进一步探索新的啮合及传动性能优化方法,并深入分析系统振动成因及影响机理,为准双曲面齿轮副的设计、加工和装配提供理论依据。本文以齿面啮合及成形理论、无载及承载接触分析技术为基础,建立准双曲面齿轮副机床参数计算及虚拟加工模型、无载接触分析模型、啮合性能评价及优化模型、安装误差敏感性分析及优化模型和承载接触分析模型。基于牛顿力学原理采用集中参数法建立准双曲面齿轮系统多自由度耦合动力学模型。具体如下:(1)研究了基于刀倾半展成法加工的准双曲面齿轮副齿坯几何参数计算、机床参数计算和无载接触分析方法。提出了以齿面啮合印痕面积、方向角及传动误差曲线交点纵坐标为优化目标,以小轮切齿节锥曲率参数为控制变量,以小轮机床参数为调整量的啮合性能优化方法,可实现对全齿面啮合特性的调整控制;(2)建立了考虑大、小轮轴向误差、偏置距误差和轴交角误差的齿轮副啮合模型。量化分析了各向安装误差对啮合印痕的影响,建立了啮合印痕对安装误差的敏感度数学模型。根据敏感性分析结论,采用加权方法建立了综合敏感度优化模型,提高了齿轮副对安装误差的容差度,降低了啮合性能对安装误差敏感性;(3)基于虚拟机床加工模型,获得了包含工作齿面及齿根过渡曲面的完整数字化齿面,构建了有限元模型。完成了不同工况下齿轮副承载啮合分析,得到了不同载荷下的等效啮合力、承载传动误差、综合弹性变形、时变啮合刚度等参数,并分析了以上参数及齿轮副重合度、齿面啮合印痕随载荷变化的演变规律;(4)建立了准双曲面齿轮系统“弯-扭-轴”耦合多自由度动力学模型。综合考虑了支承元件、啮合刚度激励、传动误差激励、啮合冲击激励及齿侧间隙。采用时间历程曲线、相图、Poincaré映射、频谱图及分岔特性分析等方法对系统响应特性进行了深入考察,对比了不同载荷下的时变啮合参数对系统振动特性的影响;(5)完成了一对采用刀倾半展成法加工的准双曲面齿轮副的切齿加工试验、滚检啮合试验、齿面测量试验及振动水平测试试验,并将试验结果与理论分析及优化结果进行了对比,验证了本文论述的理论和方法的正确性。


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