直齿行星传动模态突变现象及非线性动力学研究

发布时间：2017-09-08 11:40

  本文关键词：直齿行星传动模态突变现象及非线性动力学研究

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【摘要】：行星传动因其卓越的传动性能而被应用于各个领域,但由于其自身的传动特点及结构的复杂性导致振动和噪音问题较为突出,一直是急需解决的问题。为提高其功重比,研究其传动机理,进而寻求减振降噪途径,本文将围绕直齿行星传动展开研究,对其固有特性、模态突变现象、非线性动响应、齿面磨损机理及其对系统动态响应的影响进行研究,论文主要内容包括:首先,对直齿行星传动的主要设计参数及非线性因素进行整定。在系杆随动坐标系基础上,采用集中参数法,计入齿侧间隙、粘性阻尼、误差激励、组件变形等因素建立该系统的非线性动力学模型。计算各组成构件间的变形协调条件,根据牛顿第二定律结合各自由度方向上的运动特征,推导该类传动系统的线性及非线性动力学方程。随后,通过求解该类传动对应的特征值问题方程,得到其固有频率和振型。根据固有频率的重根数及位移关系将该类传动的自由振动进行归纳分类。采用控制变量法,明晰各参数对系统固有特性的影响,得到相应的频率变化规律曲线。通过研究相邻阶频率变化轨迹发现存在两种模态突变现象,即模态相交和跃迁,并利用耦合因子给出各模态突变对应的判定准则;进一步分析模态突变对轮系振动模式、模态能量及其敏感度的影响,通过算例仿真验证所得结论的正确性。然后,对行星轮系相应的非线性动力学方程进行线性变换及无量纲化处理,消除系统各组件间刚性位移变形和量纲等级不统一的问题。利用龙格库塔法对系统无量纲化微分方程进行求解,得到该类传动的非线性响应。分析非线性因素和初值条件对系统响应的影响及各响应形式对应的非线性特征,并结合分叉图探索系统通往混沌的道路。基于以上研究,利用Hertz理论结合Archard磨损原理建立直齿行星齿轮传动系统的磨损模型,分析了行星轮系的磨损特性,研究了工况参数对系统啮合副接触齿面的磨损影响,得到系统磨损的一般规律。随后,研究了不同的齿面磨损情况对系统的啮合刚度及误差的影响,并将磨损结果与动力学模型相结合,研究了齿廓磨损对系统动响应的影响规律。最后,为验证上述模型所求固有特性的正确性,利用ADAMS软件建立直齿行星传动的多体动力学模型,通过仿真获得系统的固有频率并将其与集中参数模型结果进行对比验证。随后,以交流母线回馈加载系统为基础,搭建了背靠背式行星传动振动分析试验台,并对其振动特性进行了测试。本文的研究揭示直齿行星传动系统模态突变原理,明晰了设计参数对系统模态特性及动响应的影响,为避开模态突变敏感区,选取合理设计参数提供理论指导。另外,利用本文所建模型,可有效预估行星传动系统的非线性动力学行为变化,为后续行星齿轮传动磨损特性研究及磨损与动力学耦合机理研究指明方向。
【关键词】：行星齿轮 固有特性 模态跃迁 非线性动力学 齿轮磨损
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH132.41
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 课题来源及意义11-12
• 1.2 行星齿轮动力学研究现状12-17
• 1.2.1 行星齿轮传动分析模型12-14
• 1.2.2 行星传动系统固有频率及模态特性分析14-15
• 1.2.3 行星传动间隙非线性动力学分析15-16
• 1.2.4 计入磨损效应的行星轮系间隙非线性动力学研究16-17
• 1.2.5 减振降噪17
• 1.3 本文研究内容17-19
• 第二章 直齿行星传动动力学建模19-30
• 2.1 引言19
• 2.2 直齿行星轮系参数整定19-21
• 2.2.1 滚动轴承支承刚度计算19-20
• 2.2.2 广义惯量计算20-21
• 2.2.3 啮合相位计算21
• 2.3 非线性因素描述21-23
• 2.3.1 齿侧间隙21-22
• 2.3.2 时变啮合刚度22-23
• 2.3.3 综合啮合误差23
• 2.4 非线性动力学模型的建立23-29
• 2.4.1 基本假设及建模23-24
• 2.4.2 构件运动分析24-26
• 2.4.3 弹性变形协调条件26
• 2.4.4 线性运动微分方程26-28
• 2.4.5 非线性运动微分方程28-29
• 2.5 小结29-30
• 第三章 行星齿轮传动系统模态突变征象分析30-43
• 3.1 引言30
• 3.2 固有特性分析30-32
• 3.3 参数敏感度分析32-34
• 3.3.1 敏感度计算32-33
• 3.3.2 动力学参数的敏感度33-34
• 3.3.2.1 对于各支承刚度的敏感度33-34
• 3.3.2.2 对于各质量和转动惯量的敏感度34
• 3.4 模态突变准则34-36
• 3.4.1 耦合因子35-36
• 3.5 直齿行星传动模态能量及其敏感度36-37
• 3.6 算例仿真37-41
• 3.7 本章小结41-43
• 第四章 行星齿轮非线性动力学特性分析43-64
• 4.1 引言43
• 4.2 非线性动力学方程求解43-49
• 4.2.1 广义坐标变换43-45
• 4.2.2 非线性微分方程的无量纲化处理45-49
• 4.3 数值积分求解方法49-50
• 4.4 系统非线性动力学结果分析50-52
• 4.5 参数影响分析52-63
• 4.5.1 激励频率对系统动力学特性的影响52-56
• 4.5.2 啮合阻尼对系统动力学特性的影响56-60
• 4.5.3 齿侧间隙对系统动力学特性的影响60-62
• 4.5.4 初值对系统动态特性的影响分析62-63
• 4.6 本章小结63-64
• 第五章 磨损对行星轮系非线性动响应的影响64-78
• 5.1 引言64
• 5.2 磨损模型建立64-65
• 5.2.1 磨损方程及计算流程64-65
• 5.3 接触压力计算65-68
• 5.3.1 接触模型65-67
• 5.3.2 接触压力67-68
• 5.4 滑动距离计算68
• 5.5 磨损系数及磨损深度计算68-69
• 5.5.1 磨损系数计算68-69
• 5.5.2 磨损深度计算69
• 5.6 算例仿真69-72
• 5.6.1 齿面接触压力及磨损量计算70-71
• 5.6.2 工况参数对齿面磨损的影响71-72
• 5.7 磨损对系统非线性动力学行为的影响72-76
• 5.7.1 磨损对系统非线性因素的影响规律72-74
• 5.7.2 磨损对系统非线性响应影响74-76
• 5.8 本章小结76-78
• 第六章 软件仿真及实验分析78-86
• 6.1 引言78
• 6.2 多体动力学建模78-80
• 6.3 箱体固有频率80-81
• 6.4 系统实验平台81-83
• 6.4.1 试验台模型搭建81-82
• 6.4.2 试验台搭建82-83
• 6.4.3 测点布置83
• 6.5 数据分析83-85
• 6.6 本章小结85-86
• 第七章 总结与展望86-90
• 7.1 全文总结86-89
• 7.1.1 直齿行星齿轮传动系统模态特性86-87
• 7.1.2 直齿行星齿轮传动系统非线性动力学分析87-88
• 7.1.3 齿面磨损对系统动响应影响分析88-89
• 7.1.4 软件仿真及实验结果验证89
• 7.2 研究展望89-90
• 参考文献90-96
• 发表论文和参加科研情况说明96-97
• 硕士期间发表的论文96
• 参与的科研项目96-97
• 致谢97

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本文编号：813827