船用行星人字齿轮传动相位调谐减振设计

在大功率船舶传动系统中,越来越多地采用行星人字齿轮传动。为了满足现代船舶对传动系统的噪声要求,开展行星人字齿轮传动系统的减振设计不但具有实用价值,而且具有理论意义。针对某舰船动力系统中的行星人字齿轮传动,建立了太阳轮与行星轮之间的动态啮合力的解析表达式,得出了行星人字齿轮系统的太阳轮齿数、行星轮齿数及个数与啮合频率激励引起的振动之间的耦合规律。基于时变啮合刚度激励引起的振动方式与传动系统固有振动模式之间的对应关系,提出了通过合理设计行星人字齿轮传动的基本参数来实现对系统扭转振动进行抑制的相位调谐减振设计方法,并借助数值算例验证了该方法能够抑制中心构件扭转共振。

考虑构件浮动人字行星齿轮传动系承载接触分析

针对单排人字行星齿轮的轴向自由窜动受太阳轮与齿圈限制及其齿面接触间隙、力的耦合特点,提出考虑构件浮动的齿面承载接触分析数值方法,为重要应用场合人字齿功率分支系统的齿面设计、分析提供理论参考。该方法以啮合理论、有限元及优化方法为基础,建立内、外齿轮副瞬时啮合齿对的变形协调、啮合总力平衡、构件径向和轴向浮动下行星轮的力学平衡等方程;将各齿轮副左、右齿面的精确几何与力学特性紧密融合,更能够反映齿面分布力系的相互耦合作用,仅需一次有限元数值计算可快速获得齿面载荷、承载变形、浮动位移和均载系数等。结果表明:中心轮的径向浮动保证行星轮之间载荷均匀,而行星轮左、右齿面的均载性与其轴向自由窜动位移相关,当行星轮轴向浮动前的内与外啮合副轴向力方向相反即行星轮整体轴向力被抵消大部分时,则浮动后的行星轮的轴向窜动位移较小,其左、右齿面均载性能无大的改善;反之,当行星轮轴向浮动前的两齿侧轴向力方向相同时,则其浮动后的轴向窜动位移相对较大,左与右齿面均载性有较大改善。浮动后的承载传动误差幅值及均值减小,且各内、外齿轮副的几何传误差或均载系数或轴向力数值规律基本相同。从结构上保证行星轮的轴向自由窜动是改善人字齿行星传动系左、右齿面偏载的关键。

人字齿行星齿轮系统动力学及均载特性分析

建立了含时变啮合刚度、齿侧间隙与轴承间隙、综合啮合误差以及负载激励的人字齿行星齿轮传动系统弯-扭-轴耦合动力学模型,研究了系统的周期运动和分岔。通过数值仿真,得到了系统全局分岔图、均载系数、相图和时间历程图,识别了系统的啮合状态。结果表明,系统的最佳载荷分布效果发生在较低啮合频率周期1振动时,外啮合sp_(1)^(l)与内啮合rp_(1)^(l)均处于完全啮合状态。随着啮合频率增大,系统动态啮合力增大,均载系数变大,系统在周期振动相互演变过程存在Hopf分岔、实擦边分岔和周期倍化分岔等分岔。

人字齿行星齿轮系统激励参数二维域界特性

为探究人字齿行星齿轮系统激励参数二维域界特性,课题组构建了系统的平移-扭转动力学模型,运用Runge-Kutta法对消除刚体位移和量纲一化的系统微分方程组进行数值求解,基于离散空间域胞映射法绘制了啮合阻尼比与太阳轮输入转速和太阳轮输入功率构成的二维域界图,并结合位移分岔图、FFT频谱图、相图和Poincaré映射对系统激励参数二维域界特性进行分析。结果表明:在满足系统工况条件下,适当增大啮合阻尼比可使系统由混沌运动转变为周期运动;啮合阻尼比较小时,系统对太阳轮输入转速变化敏感,提高太阳轮输入转速可使系统进入稳定1周期运动,减轻系统振动响应;太阳轮输入功率较小时,系统处于大范围混沌运动区域,通过增加太阳轮输入功率,系统更趋向于稳定周期运动,提高系统运行稳定性。研究结果可为人字齿行星齿轮系统选择稳定运行的激励参数范围提供参考。

内、外啮合刚度激励下人字齿行星齿轮传动振动特性

人字齿行星传动中的内、外啮合时变刚度是造成齿轮传动振动的主要激励源。根据轮齿啮合接触原理推导了人字齿行星齿轮啮合传动的时变刚度动态梯形图,得到了内、外啮合刚度的分布规律,二者不具有时间同步性。采用集中质量法建立了人字齿行星齿轮传动的扭转非线性动力学模型,在欧拉型积分和牛顿迭代法等数值方法基础上对系统的非线性振动方程组进行了求解,结果显示内啮合在多个转速区域出现显著振动,最大振幅发生在转速5 900 r/min处,外啮合动载特性较为稳定,均载系数为K=1.38。借助相图、Poincaré映射、FFT频谱分析等手段对系统拟周期振动特性进行分析,表明振动吸引子在相空间中发生扭曲翻转形成封闭超环面,频域则由多个离散次谐波响应构成。

滑动轴承支承人字齿轮行星传动固有特性分析

考虑滑动轴承支承刚度不对称和耦合特性,建立计入内齿轮轴向振动的人字齿轮行星传动动力学模型。利用4个刚度系数描述行星轮滑动轴承支承油膜刚度。分析系统的自由振动特性,发现系统存在5种振动模式:中心轮扭转—轴向振动模式、内齿轮扭转—轴向振动模式、中心轮横向振动模式、内齿轮横向振动模式和行星轮振动模式。根据每种振动模式的振型特征,推导出5种模式固有特性的低阶计算公式。系统固有频率的分布范围比直齿、斜齿行星传动系统小。结果表明,油膜刚度不对称不会对振型特征产生影响,但是刚度耦合不对称时中心轮横向振动模式会发现显著变化:对应的二重固有频率变成两个不同的单重频率,振型呈现新特征。

封闭式人字齿轮行星传动的自由振动特性分析

建立了封闭式人字齿轮行星传动系统的扭转-横向振动模型,模型考虑了两级传动之间的弹性耦合。总结出系统的五种固有振动模式:扭转振动模式、差动级横向振动模式、封闭级横向振动模式、差动级行星轮振动模式和封闭级行星轮振动模式。计算了考虑科氏惯性力和离心惯性力影响后系统的固有频率,分析了转速对系统固有频率的影响,发现差动级横向振动模式对应的固有频率随着系统输入转速的增加出现了分岔现象。

基于ADAMS的双齿圈人字行星齿轮传动系统动力学仿真与故障特征分析

为研究双齿圈人字行星齿轮传动系统的动力学特性和故障机理,探明系统故障、元件支撑刚度与接触力的关联规律,使用SolidWorks建立双齿圈人字行星齿轮系统三维模型。基于ADAMS虚拟样机和赫兹接触理论,考虑摩擦系数,构建系统虚拟样机模型,研究人字行星齿轮传动系统运动学规律、健康或故障两种状态下的接触力频谱特性和考虑构件支撑刚度时的接触力变化规律。在接触力分析的基础上计算系统均载系数,分析系统的均载特性。结果表明:系统在运行过程中,行星轮存在较高的齿频振动,当发生断齿故障时,系统故障特征明显,均载系数呈倍数增大;构件支撑刚度对系统接触力和均载特性均有较大影响,考虑构件支撑刚度时系统的载荷分布更为均匀,很大程度上提高了系统的均载性能。研究结果对于故障诊断、改善系统动力学特性和实现系统的动态设计具有参考价值。

含有点蚀故障的人字行星齿轮传动系统动态分析

为研究点蚀故障对双齿圈人字行星传动系统接触力特征和均载特性的影响规律,基于SolidWorks、KISSsoft以及ADAMS建立了太阳轮健康和存在不同形式点蚀故障时的系统虚拟样机模型。采用GSTIFF积分法动力学求解器对系统接触行为的数值解进行了求解,在此基础上研究了系统接触力时域和频域特征,根据得到的齿轮接触力对系统均载特性进行了分析。结果表明:系统无故障时,齿轮接触力较为平稳呈周期性变化,具有一定的时变特征;系统均载性能良好,基频与系统理论啮合频率一致,频域图中存在谐波频率,频率两侧有明显的边频带;存在点蚀故障时,接触力时域图中出现了周期性峰值,随着点蚀数量和点蚀深度的增加,接触力峰值和均载系数均增大,均载性能变差,基频和谐波频率两侧的边频带越来越密集;圆形点蚀对系统均载性能的影响比矩形点蚀大,点蚀数量的增加对系统均载性能的影响大于点蚀深度增大对系统均载性能的影响。结果为齿轮动力学和故障诊断研究提供了依据。

激励因素对人字齿行星齿轮系统动态特性的影响

为研究激励因素对人字齿行星齿轮传动系统动载稳定性的影响,综合考虑阻尼、时变啮合刚度、齿侧间隙和综合传动误差等激励参数,建立人字齿行星齿轮系统的纯扭转动力学模型。采用Runge-Kutta法进行数值求解;分析在不同啮合频率下,阻尼比、刚度波动系数和综合啮合误差等参数对系统内、外啮合副动载特性的影响;采用三维速度-频率扫描瀑布图、相图和Poincaré映射分析外啮合动载系数突出值。结果表明:内啮合具有更好的振动稳定性和均载性能;当阻尼比增大时动载系数总体呈减小趋势,动载系数随着刚度波动系数和综合啮合误差增大发生失稳现象,波动较剧烈;对动载突变的激励因素值分析,观测到超谐波共振现象;在临界转速时系统处于拟二倍周期振动状态,表明系统在给定区间内处于收敛状态。

考虑安装误差的双齿圈人字齿行星齿轮箱振动特性分析

构建某型双齿圈人字齿行星齿轮箱三维实体模型,基于有限元软件建立含有柔性输出轴的刚柔耦合虚拟样机,并分析了不同位置、不同安装误差的齿轮箱振动特性。结果表明,输出轴的安装误差对齿轮箱振动特性影响明显,影响程度随安装误差的增大而增大。研究结果对双齿圈人字齿行星齿轮箱仿真及试验具有一定参考价值。

考虑多轴柔性的人字行星齿轮传动系统动态特性研究

基于有限单元法,建立了一种全自由度人字行星齿轮传动系统动力学模型。模型将时变啮合刚度、综合啮合误差和啮合相位作为动态激励,分析了太阳轮轴柔性和行星轮轴柔性对人字行星齿轮传动系统中内外啮合动态啮合力和动态传递误差的影响。结果表明:轴的柔性变形对人字齿轮行星传动系统的动态特性具有显著影响,考虑轴柔性后,人字齿轮左右两侧斜齿的均载性能得到显著改善,且太阳轮轴柔性比行星轮轴柔性对均载性能的影响明显。

对中误差对人字行星传动系统动态特性的影响

对中误差会影响人字行星传动系统的运作平稳性,因此通过建立人字行星系统集中参数模型以及有限元模型,结合人字齿轮对中误差与轴系柔性,分析了误差对人字行星传动系统动力学特性的影响。结果表明,对中误差会降低人字齿轮啮合刚度,使齿轮两侧受载不平衡而造成齿轮偏载。此外,轴的柔性能减小齿轮的偏载程度,因此适当增加轴的柔性可以使齿轮两侧得受载更平衡,对误差有补偿作用。

裂纹-点蚀耦合的人字齿轮行星轮系时变啮合刚度研究

为深入研究裂纹-点蚀耦合作用对人字齿轮行星轮系时变啮合刚度的影响,提出一种具有裂纹-点蚀耦合作用影响下的人字齿轮行星轮系时变啮合刚度的计算模型,采用势能法和积分法进行求解。分别研究了内、外啮合副含裂纹-点蚀耦合故障对人字齿轮行星轮系的时变啮合刚度的影响。结果表明,行星轮系内、外啮合副的时变啮合刚度随着裂纹-点蚀耦合故障程度增加而减小;当裂纹影响区未超过点蚀影响区时,裂纹和点蚀故障共同影响时变啮合刚度;当裂纹影响区超过点蚀影响区时,时变啮合刚度的变化由裂纹故障主导,其值减小量最大;同时,外啮合相对内啮合对裂纹-点蚀耦合故障更敏感。研究结果为人字齿轮行星轮系的动态振动特性提供理论依据。

空间轴交角人字行星齿轮系统动态特性研究

空间轴交角直接影响人字行星齿轮齿面的啮合位置和动态特性,通过将空间轴交角分解到轴平面(两齿轮轴线组成的平面)和垂直平面(通过轴线且与轴平面垂直的平面),推导两个平面中轴交角造成的齿面沿啮合线的等效位移,进而分析出轴交角对齿轮啮合刚度的影响。以输入侧为原点,输出侧齿面相互远离时轴交角为正,考虑人字行星齿轮左右扭转柔性的三段式建模,构建出一种新型空间轴交角人字行星齿轮系统动力学模型,并分析行星齿轮轴交角对齿轮动态特性的影响。结果表明:垂直平面轴交角对啮合刚度和动态啮合力的影响大于轴平面轴交角;空间轴交角增大时,内外啮合刚度均明显减小,且内啮合变化程度大于外啮合齿;动态啮合力会随空间轴交角正向增加而在输入侧增大,输出侧减小,负向增加时则相反。研究结果为人字行星齿轮系统的动态性能设计与控制提供理论基础和技术支撑。