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弧齿锥齿轮啮合刚度计算模型及传动系统振动特性研究

廖平  
【摘要】:弧齿锥齿轮具有承载能力强、改变力矩传递方向及传动平稳等特点,被广泛应用于航空、汽车、船舶等工程领域,其工作传动性能直接影响着整个传动系统的平稳运行。由于弧齿锥齿轮齿面是三维空间复杂曲面且处于局部共轭接触状态,这使得准确计算弧齿锥齿轮时变啮合刚度变得非常困难,而齿轮时变啮合刚度是进行动力学研究的基础,因此建立通用、更加精确的弧齿锥齿轮啮合刚度计算方法是急需解决的问题之一。随着航空传动技术朝着高速、重载、轻量化等方向发展,对弧齿锥齿轮动态特性的要求也在快速提高。本文以某航空用弧齿锥齿轮传动为研究对象,改进了传统弧齿锥齿轮时变啮合刚度计算方法,采用节点有限元法建立了考虑轴段柔性的弧齿锥齿轮传动系统弯-扭-轴-摆耦合动力学模型,研究了负载扭矩和接触椭圆长轴长度、接触轨迹方向两个预置接触参数对传动系统动力学振动特性的影响规律。主要内容如下:(1)基于齿面主动设计方法对弧齿锥齿轮进行了齿面设计,由计算的大小轮加工参数建立了弧齿锥齿轮三维几何实体模型,研究了接触椭圆长轴长度和接触轨迹方向两个接触参数对齿面啮合接触印痕的影响规律。(2)改进了传统弧齿锥齿轮时变啮合刚度计算方法,引入单节点啮合刚度,将齿面各个节点啮合刚度叠加计算单齿啮合刚度,且采用有限元显式动态分析求解的节点接触力和节点弹性变形量更加准确,基于建立的啮合刚度计算模型以及结合显式动态分析计算的大小轮动态啮合转角得到了弧齿锥齿轮时变啮合刚度和传动误差。并进一步研究了负载扭矩、接触椭圆长轴长度、接触轨迹方向对齿轮时变啮合刚度和传动误差的影响规律。(3)针对弧齿锥齿轮传动系统结构特点,分析并推导了等截面轴段单元、变截面轴段单元、弧齿锥齿轮啮合单元及轴承支撑单元的动力学微分方程,基于节点有限元法建立了考虑轴段柔性的弧齿锥齿轮传动系统弯-扭-轴-摆耦合动力学模型,模型考虑了时变啮合刚度、啮合误差及齿侧间隙等内部激励。并研究了不同齿轮啮合刚度和轴承支撑刚度下传动系统固有频率的变化规律。(4)采用精细积分法求解弧齿锥齿轮传动系统动力学微分方程,得到了传动系统各个单元节点稳态振动响应。研究了变输入转速工况、变负载扭矩工况、变接触椭圆长轴长度及变接触轨迹方向对传动系统振动特性的影响规律,为弧齿锥齿轮齿面设计及其传动系统减振降噪提供理论依据。


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