空间温度交变环境下齿轮系统动力学分析及其传动误差主动控制研究

发布时间：2017-09-23 13:03

  本文关键词：空间温度交变环境下齿轮系统动力学分析及其传动误差主动控制研究

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【摘要】：随着我国航天工业的发展,齿轮传动机构愈加频繁地被应用到空间环境中。然而,空间环境是一个十分复杂的环境领域,存在着高低温交变、微重力、真空、地磁干扰等因素,这对空间服役的齿轮传动机构提出了更高的要求。本文以单自由度直齿圆柱齿轮传动系统为基础,在单对直齿圆柱齿轮间隙非线性系统动力学模型的基础上,进一步引入空间环境下特殊的温度交变效应,综合考虑齿侧间隙、时变啮合刚度、综合传递误差等因素,建立了适用于空间温度大范围交替变化环境下的齿轮传动系统间隙非线性动力学模型。运用4-5阶Runge-Kutta数值算法,分别对地面环境和空间温度交变环境下的系统模型进行求解,运用时间历程图、相图、分岔图等方法对系统动力学响应进行分析。结果表明:(1)含间隙的齿轮系统表现出强非线性,随着参数(阻尼比、间隙等)的变化,系统表现出丰富的非线性运动特性;(2)温度交变的幅值增大将使系统动力学响应变差,系统从周期运动变为拟周期运动;齿轮系统啮合频率应尽量避开温度交变频率,二者比值ωh/ωT建议大于10,以避免发生混沌运动,且B0.1为好。空间环境下温度大范围交替变化导致齿轮传动系统齿侧间隙发生同频交变,这对齿轮系统传动精度有很大影响,因此,本文提出基于超磁滞伸缩智能材料作动器(GMA)的齿轮传动误差主动控制方案:通过直接控制一对啮合齿轮中心距的大小,即一对啮合齿轮的其中一根轴(包括轴上所有附件)整体可以在两轮中心距方向上有微小移动,GMA对这根轴在两齿轮中心距方向上施加作动力,进而间接地补偿由于温度大范围交变导致的齿侧间隙变化,使侧隙始终保持在传动性能良好的数值范围内。为避免GMA的迟滞非线性的影响,本文采用PI模型对GMA磁滞特性进行建模,应用基于PI逆模型的开环逆模型控制对GMA的迟滞非线性进行控制。采用Preisach迟滞模型和机电系统传递函数串联得到具有迟滞特性的系统模型,采用PID控制和逆模型控制对系统进行振动控制,结果表明,控制方案、方法能够实现对迟滞非线性系统的有效补偿控制,说明本文所提出的齿轮系统传动误差主动控制方案、方法理论上能够对由于温度大范围交变而导致的齿轮传动误差变大进行有效补偿。
【关键词】：空间环境 齿轮系统 非线性动力学 PID控制 超磁滞伸缩智能作动器
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V441
【目录】：

• 摘要3-4
• abstract4-8
• 1 绪论8-14
• 1.1 研究背景和意义8
• 1.2 齿轮系统动力学研究现状8-11
• 1.2.1 国外研究概述8-10
• 1.2.2 国外研究概述10-11
• 1.3 齿轮热变形研究概述11-12
• 1.4 超磁致伸缩材料概述12-13
• 1.5 本文研究内容13-14
• 2 含温度交变的齿轮动力学模型及其分析方法14-28
• 2.1 引言14
• 2.2 齿轮热变形研究14-17
• 2.2.1 材料热膨胀系数14-15
• 2.2.2 齿轮热变形对侧隙的影响15-16
• 2.2.3 计算实例及作动器选择16-17
• 2.3 含温度交变效应的齿轮动力学建模17-22
• 2.3.1 地面常温环境下单对齿轮传动系统建模17-20
• 2.3.2 系统运动微分方程无量纲化20-21
• 2.3.3 考虑温度交变效应的齿轮动力学模型21-22
• 2.4 非线性系统分析方法22-26
• 2.4.1 时间历程图及相图22-23
• 2.4.2 Poincare截面及频谱分析23-25
• 2.4.3 非线性系统解的形式25
• 2.4.4 分岔概念及分岔图25-26
• 2.5 本章小结26-28
• 3 含温度交变效应的齿轮动力学响应分析28-50
• 3.1 引言28
• 3.2 参数对系统运动特性的影响28-48
• 3.2.1 混沌运动的蝴蝶效应28-33
• 3.2.2 齿侧间隙对系统动力学的影响33-39
• 3.2.3 交变温度幅值、频率对系统动力学的影响39-42
• 3.2.4 阻尼对系统动力学的影响42-47
• 3.2.5 啮合频率对系统动力学的影响47-48
• 3.3 本章小结48-50
• 4 GMA建模及其迟滞非线性补偿控制50-60
• 4.1 引言50
• 4.2 Preisach模型的基本结构50-51
• 4.3 基于PI模型的迟滞非线性建模51-55
• 4.3.1 基于PI的模型建立52-53
• 4.3.2 PI模型仿真53-55
• 4.4 PI逆模型求取及仿真55-57
• 4.5 滞回非线性的直接逆控制57-59
• 4.6 本章小结59-60
• 5 基于GMA的空间齿轮传动误差主动控制研究60-72
• 5.1 引言60
• 5.2 GMA布置方案60-62
• 5.3 GMA磁-机耦合模型62-65
• 5.4 基于GMA的齿侧间隙主动控制研究65-70
• 5.4.1 PID控制算法65-66
• 5.4.2 负载作动器的磁-机耦合模型66
• 5.4.3 基于前馈逆模型PID控制仿真66-70
• 5.5 本章小结70-72
• 6 总结与展望72-74
• 6.1 全文总结72-73
• 6.2 工作展望73-74
• 致谢74-76
• 参考文献76-80
• 附录80
• A. 作者在攻读学位期间参加的科研项目80

【参考文献】

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本文编号：905384