考虑制造误差的人字齿行星传动系统动力学特性及动态均载研究

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1、考虑制造误差的人字齿行星传动系统动力学特性及动态均载研究重庆大学博士学位论文学生姓名：任菲任菲指导教师：秦大同教授秦大同教授专业：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一五年三月StudyonDynamicCharacteristicsandDynamicLoadSharingofaHerringbonePlanetaryGearwithManufacturingErrorsAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementf

2、ortheDoctor’sDegreeofMechanicalEngineeringByRenFeiRenFeiSupervisedbyProf.QinDatongf.QinDatongSpecialty:MechanicalDesignandTheoryCollegeofMechanicalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,China.March,2015中文摘要摘要行星齿轮传动（PGT）具有结构紧凑、传动比大、承载能力高等优点。行星齿轮传动通常由直齿、斜齿或人字齿等齿形组成。与直

3、齿、斜齿行星齿轮传动相比，人字齿行星齿轮传动（HPGT）具有更高重合度、较小的轴向力、更高功率密度等优点，已被应用于核电、风电、起重机械等重载传动领域，在地下开采、掘进装备、航空航天等领域也有很好的应用前景。然而，由于人字齿行星齿轮传动较为复杂的结构形式，其动力学建模求解较为困难，目前针对这种传动的动力学特性研究还很少。本文结合课题组承担的国家973计划等课题的研究任务，以实现人字齿行星齿轮传动的高承载和低振动为目标，较为深入地研究了人字齿行星齿轮传动动力学特性、动态均载特性，深入分析了制造误差对上述特性的影响规律，对人字齿行星齿轮传

4、动的理论研究和工程应用具有重要意义。具体研究内容如下：(1)基于人字齿轮结构特点，建立了人字齿行星齿轮传动系统弯-扭-轴向耦合的集中参数动力学模型，推导了其运动微分方程及其矩阵形式。模型中综合考虑了各齿轮齿廓误差、各构件偏心误差、时变啮合刚度、轴承支撑刚度、啮合相位及构件陀螺效应，不仅计入了系统各构件的横向振动和扭转振动，还考虑了制造误差引起的轴向振动。分析推导了人字齿行星齿轮传动各构件的制造误差、时变啮合刚度、行星轮啮合相位等主要激励的计算公式。为传动系统动力学特性和均载特性的研究奠定了基础。(2)由第二章提出的系统耦合动力学模型得

5、到了用于固有特性分析的无阻尼自由振动方程，通过求解其对应的特征值问题分析了系统的固有频率、模态振型及其振型特点，归纳了系统振动模式。为了更全面准确地揭示人字齿行星齿轮传动的固有特性，用模态能量方法推导了系统的模态应变能和模态动能的计算公式，研究了不同振动模式的模态应变能和模态动能的分布规律。在此基础上研究了啮合刚度和支承刚度对人字齿行星齿轮传动系统固有频率的影响。(3)由第二章建立的系统耦合动力学模型得到了人字齿行星传动系统动力学模型，基于此模型，采用数值积分法分别求解分析了运行工况下人字齿行星齿轮传动系统动力学响应，包括各主要构件在

6、各自由度方向上的振动位移、振动速度、振动加速度、动态啮合力、动态轴承力等，研究了系统时变啮合刚度等内部激励对系统动力学响应的影响规律。(4)基于考虑制造误差的人字齿行星传动系统动力学模型，分别求解分析了不同制造误差（如各构件制造偏心误差、各齿轮齿廓误差）影响下的人字齿行星齿轮传动系统动力学响应，并通过与第四章没有制造误差的系统各构件动力学响应I重庆大学博士学位论文的对比，从时域和频域角度讨论了不同制造误差对人字齿行星齿轮传动系统动力学响应特性的影响规律。(5)基于动力学响应分析得到的人字齿行星齿轮传动的动态啮合力，计算了传动系统的动力

7、学均载系数，研究了不同浮动方式下系统各构件误差对动力学均载特性的影响。研究了工况参数（输入转速、输入扭矩）、物理及几何参数（中心构件支撑刚度、行星轮个数）对系统均载特性的影响。提出了人字齿行星齿轮传动浮动构件浮动量的计算方法，分析了不同浮动方式下构件浮动量与制造误差之间的关系，研究了工况参数、物理及几何参数对构件浮动量的影响规律。为制造误差影响下人字齿行星齿轮传动的浮动均载设计奠定了基础。关键词：人字齿行星齿轮传动，制造误差，动力学模型，动力学特性，均载特性II英文摘要ABSTRACTTheplanetarygeartrain(PGT

8、)hasadvantagessuchascompactness,largetransmissionratio,highloadcapacity,etc.Planetarygeartrainsusuallyuseeithe