高速大功率密度齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及阻尼環(huán)減振研究.pdf

1、齒輪作為一種傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的基礎(chǔ)件，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、風(fēng)電、航空、航天及船舶等領(lǐng)域。為提高傳動(dòng)效率和適應(yīng)其它特殊工況的苛刻性要求，使現(xiàn)代齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)普遍朝著高速、大功率密度、低噪聲、一體化等方向發(fā)展。因齒輪輕量化而導(dǎo)致其柔性變形增加、固有頻率值下降而產(chǎn)生更多的共振區(qū)，從而使齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲增大、穩(wěn)定性變差。因此，本文以高速大功率密度齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)為研究對象，分析考慮齒輪輕量化、阻尼環(huán)減振的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。研究結(jié)果對于認(rèn)識(shí)高

2、速大功率密度齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性、指導(dǎo)阻尼環(huán)減振技術(shù)、輕量化齒輪設(shè)計(jì)等具有重要理論和實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。
　　本文首先基于集中參數(shù)法建立附加阻尼環(huán)的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)彎-扭-軸耦合剛體動(dòng)力學(xué)模型，并對其動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行無量綱化處理。同時(shí)，利用滾動(dòng)軸承擬動(dòng)力學(xué)理論和有限元方法，給出一種考慮齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)、轉(zhuǎn)軸彈性變形的轉(zhuǎn)軸-軸承結(jié)合部等效剛度的計(jì)算方法。該算法可以計(jì)算轉(zhuǎn)軸-軸承結(jié)合部的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)等效剛度。研究表明：當(dāng)激勵(lì)轉(zhuǎn)速為系統(tǒng)

3、臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)軸-軸承的動(dòng)態(tài)等效剛度將會(huì)出現(xiàn)峰值；載荷增加后，轉(zhuǎn)軸-軸承的軸向動(dòng)態(tài)等效剛度趨近于放松端支承軸承的軸向剛度。
　　基于附加阻尼環(huán)的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)彎-扭-軸耦合剛體動(dòng)力學(xué)模型，采用Runge-Kutta法研究輪齒嚙合剛度、傳遞誤差和阻尼環(huán)等激勵(lì)因素對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。結(jié)果表明：對高速大功率密度齒輪，可利用增加輻板阻尼的方式來抑制其因齒輪輕量化而造成的系統(tǒng)響應(yīng)振幅的增大。阻尼環(huán)能夠顯著抑制齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)；通過優(yōu)化

4、阻尼環(huán)外圓直徑（即阻尼環(huán)與輪緣間的過盈量）、厚度、寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)可使齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)獲得最優(yōu)的減振效果。
　　考慮齒輪、阻尼環(huán)的大柔度變形，采用模態(tài)縮減法和多體動(dòng)力學(xué)軟件Adams相結(jié)合的方法，建立附加阻尼環(huán)的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型。在考慮接觸彈塑性變形和輪齒間滯回阻尼特性的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的大接觸變形彈性體間碰撞恢復(fù)系數(shù)計(jì)算方法，該方法適用于彈性變形、彈塑性變形和有限塑性變形的彈性體動(dòng)態(tài)接觸特性分析。同時(shí)基于此模型

5、的研究表明：輻板和輪緣厚度的增加能夠有效抑制齒輪輪緣和輻板軸向振動(dòng)變形的波動(dòng)幅度；穩(wěn)定工況下，平口式阻尼環(huán)使得齒輪輪緣、輻板軸向振動(dòng)幅值的波動(dòng)幅度出現(xiàn)了大幅度下降。變工況下，平口式阻尼環(huán)不但可以大幅度的抑制齒輪軸向振動(dòng)幅值的波動(dòng)幅度，還能夠顯著的抑制軸向嚙合力邊頻振動(dòng)幅值。
　　為研究高速、油潤滑等實(shí)際工況下，輕量化齒輪、阻尼環(huán)等對齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性影響及實(shí)際工程化的需求，本文設(shè)計(jì)并研制最高輸入轉(zhuǎn)速為24kr/min、油潤滑、激

6、勵(lì)轉(zhuǎn)速和載荷可調(diào)的高速齒輪試驗(yàn)器。基于該試驗(yàn)器的試驗(yàn)研究表明：對高速大功率密度齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，在15～24kr/min激勵(lì)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，齒輪輪緣、輻板軸向振動(dòng)幅值隨著激勵(lì)轉(zhuǎn)速增加而出現(xiàn)大幅度的增加。相對齒輪輪緣，齒輪輻板的軸向振動(dòng)對載荷變化更加敏感。穩(wěn)定工況下，阻尼環(huán)能夠有效抑制齒輪輻板的軸向振動(dòng)且降幅比達(dá)到了31.5％～71.4%。同時(shí)本文還研究斷口卡簧式、平口式，平口滾花式阻尼環(huán)對齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響，其中平口式滾花式阻尼環(huán)對齒輪