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小倾角船用齿轮箱接触分析及动态特性研究

王海霞  
【摘要】:课题来源于“十一五”国家科技支撑计划课题“高速、重载、精密机械传动系统关键技术研究”子课题“船用齿轮关键技术及产业化(2006BAF01B07-02)”。 小倾角船用齿轮箱的输入轴与输出轴存在一个较小夹角,从而使螺旋桨获得一个入水角,解决了船用齿轮箱安装空间狭小的问题,广泛应用于高速游艇、快艇动力传动系统中。小倾角船用齿轮箱采用变厚齿轮实现相交轴与交错轴传动,使用过程中存在振动大、噪声高、早期磨损等问题,严重影响了其推广进程。论文针对这些问题结合小倾角船用齿轮箱传动特点,从齿轮啮合原理出发,研究变厚齿轮传动啮合特性,对非渐开线变厚齿轮进行接触分析,从系统动力学角度对小倾角齿轮箱固有特性和动态响应进行理论分析与试验研究,具有重要的理论意义和工程实际价值。 论文的主要内容如下: ①小倾角船用齿轮箱传动系统非渐开线变厚齿轮的齿面方程的推导。根据齿轮啮合原理,通过坐标变换,以渐开线变厚齿轮副为加工面,推导出与其组成相交轴、交错轴传动的非渐开线变厚齿轮的齿面方程,进行齿面重构与齿轮三维模型建立。 ②采用有限元方法对考虑安装误差工况下小倾角船用齿轮箱传动系统齿轮接触特性进行分析。对负载工况下变厚齿轮进行接触分析,讨论中心距、轴向窜动和角度安装误差对齿轮接触特性的影响。根据综合误差下的齿轮变形量,对轮齿进行齿端修形和齿廓修形,修形后变厚齿轮副的接触特性得到较大改善,消除了边缘接触和偏载现象。 ③小倾角船用齿轮箱传动系统内部动态激励研究。建立变厚齿轮传动全齿面的时变刚度分析模型,分析相交轴与交错轴变厚齿轮传动时变啮合刚度。将变厚齿轮副离散简化成若干斜齿轮,考虑制造误差、变厚齿轮时变啮合刚度、啮入啮出冲击等内部激励,计算小倾角船用齿轮箱各级传动齿轮副的内部动态激励。 ④小倾角船用齿轮箱系统动态特性分析。建立小倾角船用齿轮箱齿轮-轴-轴承-箱体系统耦合三维动力学分析模型,对齿轮箱系统进行模态分析,得到齿轮箱系统的固有频率和振型。在内部动态激励的作用下,分别对齿轮箱系统在顺车、倒车两种工况下的动态响应进行仿真,揭示齿轮箱的动态特性。 ⑤小倾角船用齿轮箱试验研究。构建小倾角船用齿轮箱测试试验系统,对其传动特性和动态响应进行试验研究,得出小倾角船用齿轮箱传动效率、齿面接触状况、固有特征及动态响应,验证理论分析的正确性。


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