斜齿轮摩擦激励与故障激励耦合动力学建模及其动态特征研究

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1、斜齿轮摩擦激励与故障激励耦合动力学建模及其动态特征研究重庆大学博士学位论文学生姓名：蒋汉军指导教师：邵毅敏教授RajendraSingh教授专业：机械设计及理论学科门类：工学重庆大学机械工程学院二O一五年六月StudyonCoupledFrictionExcitationandFaultExcitationsModellingandDynamicCharacteristicsofHelicalGearsAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillme

2、ntoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByHanjunJiangSupervisedbyProf.YiminShaoProf.RajendraSinghSpecialty:MechanicalDesignandTheoryCollegeofMechanicalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaJune2015中文摘要摘要齿轮传动系统及其基础部件在国家装备制造业中具有不可替代的重要地位。随

3、着科学技术的发展，对齿轮传动装置也提出了更高的性能要求，如高速、重载、高可靠性、低噪声、小型化等。斜齿轮传动具有啮合性好、重合度大、传动平稳、振动噪声小、承载能力高等诸多优点，广泛应用于航空航天、冶金、风电、船舶、工程机械、起重运输等行业机械传动系统。然而，斜齿轮由于齿形复杂，加工及装配过程中易产生误差，且传动过程中，其内部激励复杂，齿轮失效频发，成为制约斜齿轮传动系统向长寿命和高可靠性发展的主要因素。齿面摩擦是齿轮产生振动和噪声的重要激励源，齿面摩擦加速了齿轮早期故障的出现，齿轮早期故障的出现反过来又会加剧齿

4、面摩擦，并进一步导致齿轮破坏。因此，开展斜齿轮摩擦激励与故障激励耦合动力学建模研究，建立考虑摩擦的斜齿轮故障动力学模型，解明其内部非线性动态激励与外部振动响应特征之间的关系，具有重大的学术价值与工程意义。论文针对斜齿轮摩擦激励与故障激励耦合动力学建模及其动态特征问题，基于斜齿轮啮合的时变接触线长度，从斜齿轮啮合的摩擦激励和故障激励耦合机理入手，开展了系列斜齿轮啮合内部动态激励与振动响应的研究。论文的主要研究工作包括：①针对目前缺乏不同范围重合度斜齿轮摩擦激励精确算法的问题，采用“分段法”思想，提出了考虑时变啮合

5、力和时变摩擦系数的时变接触线长度、时变摩擦力和时变摩擦力矩的通用计算方法。基于轴的弯曲变形和作用力的关系，提出了一种斜齿轮齿面摩擦力的测试方法。新的计算方法解决了不同范围重合度下斜齿轮摩擦激励精确计算的难题，并揭示了变位系数、螺旋角和齿宽等齿轮参数对时变接触线、时变摩擦力和力矩的影响规律，为设计阶段合理选择斜齿轮参数以减少摩擦激励提供指导。②针对目前齿面剥落故障引起的斜齿轮内部激励的模型和算法不能很好揭示斜齿轮动态特征变化的问题，基于时变接触线长度的变化，提出了齿面剥落故障斜齿轮时变摩擦激励和接触刚度的计算方法

6、；考虑斜齿轮齿面剥落时变摩擦力和时变刚度的变化，建立了时变摩擦力和时变刚度耦合的斜齿轮动力学模型，获得了齿面剥落故障对斜齿轮动态特征的影响规律，为研究斜齿轮齿面剥落故障激励特征提供了一种新的计算方法。③针对目前缺乏在轮齿折断故障下建立耦合时变滑动摩擦力和动态啮合力的斜齿轮三维动力学模型的有效方法，并揭示斜齿轮轮齿折断故障非线性激励及其I重庆大学博士学位论文动态特征的关系问题，提出了基于时变接触线长度的轮齿折断故障斜齿轮啮合刚度计算方法；考虑轮齿折断故障造成偏心质量的离心力和惯性力，以及斜齿轮时变摩擦力和时变啮合

7、力的变化，建立了斜齿轮-轴-轴承耦合三维动力学模型，解明了轮齿折断形式及大小对斜齿轮动态特征的影响，为研究斜齿轮轮齿折断故障激励特征提供了一种新的计算方法。④针对目前斜齿轮内部激励模型未能解明不对中齿轮故障和滑动摩擦耦合作用下斜齿轮动态特征变化的问题，提出了不对中齿轮故障的摩擦激励和误差激励计算方法；基于不对中齿轮故障导致的时变摩擦力和动态啮合力的变化，建立了时变摩擦力和动态啮合力耦合的斜齿轮动力学模型，获得了不对中齿轮故障作用下斜齿轮动力学响应的变化规律，为研究斜齿轮不对中齿轮故障激励特征提供了一种新的计算方

8、法。⑤搭建了斜齿轮故障模拟验证实验台，开展了斜齿轮齿面剥落故障、轮齿折断故障及不对中齿轮故障振动特征的实验研究，经实验结果和模拟仿真计算结果的对比，验证了斜齿轮齿面剥落故障、轮齿折断故障及不对中齿轮故障振动响应特征理论仿真结果的正确性。关键词：斜齿轮，刚度激励，摩擦激励，故障激励，动态特征II重庆大学博士学位论文andfacewidthareanalyzedtoillustrateth