齿轮传动系统热弹耦合动力学及轮齿多目标综合修形研究

发布时间：2020-07-05 16:04

【摘要】：近年来齿轮传动朝着高速重载方向发展。齿轮传动系统在传动过程中由于啮合齿面间的相对滑动而产生的摩擦热对系统性能的影响已越发不容忽视。目前对该领域的研究主要集中在系统静态、动态及热特性等单一场态性能的研究之上,而忽视了热力学与静力、动力学性能的相互影响研究。本文基于齿轮啮合原理、摩擦学、传热学、弹性力学和热弹性力学理论等,利用数值计算、有限元仿真及实验研究等方法,研究热对齿轮传动系统各性能的影响,并利用模糊设计等现代设计方法对轮齿进行多目标的综合修形设计。其主要内容如下:(1)基于摩擦学和传热学等理论基础,探讨了齿轮啮合过程中热的产生及传热机理,研究了齿轮的齿面闪温、本体温度场及齿面瞬时接触温度等系统热特性,并对各个热特性的影响因素及影响机理进行了研究。同时分析了齿廓修形对各热特性的影响,得到了以各个热特性为单目标的最佳齿廓修形参数。(2)结合胡克定律及赫兹接触理论对齿轮刚度的定义进行了推广,提出了齿轮热刚度的概念。定义齿轮热刚度为引起单位热弹耦合变形量的外载荷的大小。结合系统热特性的研究成果,推导得到了齿轮单齿热刚度及啮合热刚度的计算公式,并用有限元方法和实验研究方法对其进行了验证。同时对修形后的热刚度以及热对系统静态特性的影响进行了研究。(3)研究了热弹性耦合条件下齿轮传动系统的热动态特性。基于库仑阻尼模型建立了齿轮传动系统的等效粘性阻尼模型,并通过润滑油的粘温特性在等效粘性阻尼模型中引入热因素的影响,获得了系统等效粘性热阻尼的计算方法。通过引入齿轮时变啮合热刚度及等效时变粘性热阻尼等建立了系统热弹耦合动力学模型,得到了系统的热动态响应,研究了阻尼、转速等对系统热动态特性的影响。同时将齿廓修形量当做系统静态误差的一部分,提出了一种新的齿廓修形后系统动力学建模方法——当量静态误差法,并据此建立了齿廓修形后的系统热弹耦合动力学模型,获得了齿廓修形后的系统热动态特性,研究得到了热弹耦合条件下以系统热动态特性为目标的最佳修形参数。(4)综合考虑修形对系统静态特性、动态特性及热特性的影响,提出了轮齿多目标综合修形方法,并基于模糊综合决策理论建立了轮齿多目标综合修形设计模型,同时为了得到更加普适的结果,研究了几何参数和工况参数等对多目标综合修形模型的影响,通过引入修形量的修正系数Xc,给出了多目标条件下综合修形量的计算公式,得到了轮齿多目标综合修形的修形方法及综合最佳修形参数。(5)基于FZG齿轮试验机搭建了齿轮传动系统的热振实验平台,对齿轮传动系统进行了实验研究,测试了系统在不同载荷与不同转速等多种综合工况下的热特性和动态特性,并根据测试数据研究了载荷与转速对系统的热特性及动态特性的影响,同时提取不同温度状态下的系统动态响应,研究了热(温度)对系统动态特性的影响。通过实验数据与理论及仿真数据的对比分析,验证了本文提出的热刚度及热弹耦合动力学模型的正确性。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH132.41
【图文】：

轮齿,齿形,啮合点,矩形底

Ｉ逡逑Ｉ逡逑图３－１轮齿当置齿形模型逡逑图３－１为轮齿的当量齿形模型，如图所示，为辅助尺寸，是两梯形边逡逑的延伸交点到矩形底的距离，＼为啮合点高，？为矩形高，／７为齿高，＼为逡逑齿根厚，＼为齿顶厚，％为啮合点的载荷作用角。以上尺寸的计算公式如下：逡逑（１）

示意图,外啮合齿轮,啮合线,归一化

坐标值为几ｉ＝－ｌ，Ｎ２点的归一化坐标值为齿轮副的传动比ｍ，即厂ｎ２＝ｍ。逡逑图３－２外啮合齿轮啮合线归一化坐标示意图逡逑根据归一化坐标的定义并结合图３－１所示的几何尺寸关系，可推导出啮逡逑合线上任意一点尺的归一化坐标厂Ａ．的计算公式，如式（３－２０）所示。逡逑ｒ邋＿邋ＣＡ：邋＿邋Ｎ＾－Ｎ．Ｃ邋ｒｂｌ邋ｔａｎ邋ａＫＸ邋－邋ｒｂｌ邋ｔａｎ邋ｏｒｃ邋＿邋ｔａｎ邋ａＫ，邋＾逦（３２0）逡逑ｋ逦ＮＣ邋ＮＣ逦ｒｂｌ邋ｔａｎ邋ａｃ逦ｔａｎ邋ａｃ逡逑式中，为节圆压力角，为啮合点对应的主动轮压力角，可由式逡逑（３－２１）计算得到。逡逑ａＫｉ邋＝邋ａｒｃｃｏｓ逦（３－２１）逡逑、ｒＫｉ邋／逡逑根据式（３－２０）可计算得到各关键啮合点的（Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅ）的归一化坐标逡逑如下：逡逑厂Ａ＝７＾邋灰邋ｆ邋－１邋ｙ／ｔａｎ？ｃ邋－１逦（３－２２）逡逑厂￡邋＝逦－１／ａｎ？ｃ－ｌ逦（３－２３）逡逑／邋Ｊ逡逑ｒＢ邋＝邋ｒＥ邋－－（３－２４）逡逑Ｚｊ邋ｔａｎａｃ逡逑ｒＤ邋＝邋ｒＡ＋邋ｌｎ邋—逦（３－２５）逡逑ｚｘ邋Ｘ＾ｎａｃ逡逑结合以上分析，并利用ＭＡＴＬＡＢ软件编写齿轮刚度的计算程序，便可逡逑绘制出一个完整的啮合周期内齿轮刚度沿啮合线的分布曲线，如图３－３所示。逡逑表３－１为研究对象——直齿圆柱齿轮副的主要参数。逡逑－２１－逡逑

【相似文献】