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齿轮传动系统耦合振动响应及抗冲击性能研究

杨成云  
【摘要】: 当前,对机械产品高速、高效、精密、可靠、低振动、低噪声、轻量化和自动化的要求越来越高。齿轮系统是工程机械系统的重要组成部分,其工作性能对整个系统有着至关重要的影响。随着速度和功率的提高,齿轮传动正朝着高速、重载方向发展,其动力学行为的研究便成为国内外学者所关注的课题。由于我国齿轮振动噪声普遍比国外产品严重,因此齿轮传动非线性动力学行为的研究更是工程实际中亟待解决的重要课题之一。 本课题研究的意义就在于突破传统机械噪声的研究方法,从系统角度出发,用科学的建模取代半经验的计算,用先进的的动态设计取代传统的静态设计,从振动分析发展到噪声分析,研究如何在设计阶段就能综合考虑多种因素,预估齿轮系统的振动响应和结构噪声,目的是用先进的现代设计技术设计出较为理想的低振动、低噪声齿轮系统装置。本文在齿轮传动系统的三维冲击动力接触非线性特性、齿轮内部激励的产生机理、内部激励作用下的耦合振动响应和齿轮系统抗冲击振动特性等方面的研究取得了成果,本文主要进行了下列研究: 1.全面地研究了齿轮系统振动和噪声的产生机理,将引起齿轮振动噪声的内部原因归结为三种激励,即刚度激励、误差激励和啮合冲击激励。 2.用有限元分析方法和误差近似等效方法模拟了齿轮啮合时的激励,并得出齿轮啮合时产生的激励力,为齿轮系统振动响应分析打下了基础。 3.用有限元法建立了包含齿轮副、传动轴和箱体的齿轮系统完整的大型动力学模型,该模型较好地反映了齿轮系统各部分的动态耦合效应。 4.用I-DEAS软件对上述齿轮系统进行了有限元模态分析,得到了齿轮轴、齿轮箱和齿轮系统的固有特性;预估了在齿轮动态激励下齿轮箱的动态响应,较全面地研究了齿轮系统的动态特性,并分析了系统的结构噪声。 5.利用I-DEAS软件计算了齿轮系统具有运动自由度的系统模态分析时用于定义动态事件的固有模态、约束模态、等效附加模态及有效质量模态。将外部加速度冲击激励处理为半正弦脉冲激励,对齿轮箱进行了冲击动力响应分析,得出了箱体各计算点的振动速度、振动加速度时域曲线以及动态应力时域曲线。综合齿轮箱的动态应力和静态应力,按照抗冲击能力合格判据,预估了齿轮系统的抗冲击性能。 6.对齿轮系统进行了实验研究,得到了齿轮箱表面法向振动加速度,并与有限元计算结果进行了比较,结果基本一致,表明了所建模型的正确性;同时测量了齿轮箱的结构噪声,结果与预估结果基本一致。


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