螺旋锥齿轮系统动力分析及动态性能优化

【摘要】： 螺旋锥齿轮包括弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮,是各种机器和装备中广泛应用的传动装置。随着螺旋锥齿轮装置向大型化、高速化、轻量化、高精度方向发展,系统的减振降噪越来越引起关注,对其动态性能进行分析及优化已成为新的研究热点。目前,齿轮系统动力优化设计仍属于工程结构领域中难度颇大、内容新颖的前沿性课题之一,开展对它的研究不但具有现实的工程背景和实用价值,而且具有重要的理论意义。 论文课题来源于国家科技支撑计划项目。将接触力学、结构动力学、齿轮啮合原理、优化理论等相结合,对螺旋锥齿轮传动的动态性能进行分析及优化。本文的主要研究工作如下: ①推导弧齿锥齿轮及准双曲面齿轮齿廓基本曲线方程,建立齿轮几何模型和有限元静力分析模型,应用ANSYS软件对运转过程中的齿轮副进行接触有限元分析,得出了轮齿等效应力分布及接触应力的变化规律。 ②用有限元方法,对弧齿锥齿轮及准双曲面齿轮进行动态接触分析,得出齿轮啮合冲击激励及不同啮合位置齿面动态应力分布。 ③运用装配体模态分析理论,将准双曲面齿轮箱简化为线性系统,对其进行模态分析,并与试验结果进行比较。以避开激振频率为优化目标,箱体结构参数为设计变量,以箱体体积、静态应力、位移为约束条件,建立准双曲面齿轮箱多频优化模型,并用零阶优化与一阶优化相结合的方法求解优化模型。 ④综合考虑轮齿啮合变形、轴的弯曲变形以及轴承支撑刚度,建立准双曲面齿轮箱传动系统的三维非线性动力接触有限元分析模型,计算轴承动态支反力。 ⑤以轴承动态支反力为箱体的输入载荷,对准双曲面齿轮箱进行动力响应分析。以加速度响应均方根值最小为优化目标,箱体结构参数为设计变量,以静态应力、位移及箱体体积为约束函数,建立准双曲面齿轮箱动态响应优化模型。用零阶方法求解动态响应优化模型,得到最优设计参数。