功率分流式行星齿轮传动系统建模及动态特性研究

发布时间：2018-01-24 05:36

  本文关键词： 行星齿轮传动 功率分流 动力学建模 非线性 多尺度法　出处：《山东大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：行星齿轮传动系统具有结构紧凑、体积小、传动效率高、承载能力强、传动平稳等特点,被广泛应用于航空航天、船舶动力、风力发电及重型机械设备中。齿轮系统是多参数激励系统,内部激励包括刚度激励、误差激励等,是造成系统振动的主要因素,而运行时的振动及噪声严重影响了系统的可靠性及使用寿命,因此齿轮系统的动力学特性研究是减振降噪的基础。目前行星轮系的动力学模型多为纯扭转模型或二维弯扭耦合模型,没有计入各构件的轴向振动,对行星轮系进行三维动力学建模能更精确地描述系统的动力学特性。功率分流式行星齿轮传动系统具有两级甚至多级同时承担输入功率的结构特点,承载能力更强。对其进行动力学特性研究,可为系统减振降噪及轻量化设计等提供理论指导。但由于系统的相对运动关系复杂,内部激励因素多,其模型建立及动态特性分析难度很大。本文主要对单级行星轮系及功率分流式行星齿轮传动系统进行了动力学建模及动态特性分析。论文的主要研究内容包括以下几个方面:建立了单级行星轮系的三维弯扭耦合动力学模型,该模型能够描述系统的三维平移-扭转运动,导出了其非线性动力学微分方程组,为功率分流式行星齿轮传动系统的动力学建模奠定基础。求解其特征方程,得到在三维弯扭耦合模型下,单级行星轮系的固有振动模式可分为4类:刚体振动模式、中心构件轴向平移扭转振动模式、中心构件径向平移振动模式及行星轮振动模式。分析了行星轮数目、压力角及构件质量对固有频率的影响,结果表明行星轮振动模式的固有频率值随行星轮质量的增大而逐渐减小,但不受中心构件的质量变化影响,其他振动模式的固有频率值随各构件质量的增大呈减小的趋势;随压力角增大,仅第2阶行星轮振动模态对应的固有频率单调递增,其他阶次的固有频率单调递减或保持不变;随行星轮数目改变,重根数为1,2的固有频率单调变化,行星轮振动模式的固有频率值不变。提出了基于实现功率分流提高多级行星齿轮传动系统承载能力的设计机理。输入功率分流使传递路径分散,降低了行星齿轮传动构件承担的载荷。多级行星齿轮传动系统由2K-H型差动行星轮系及准行星轮系组合而成,功率由2K-H型差动行星轮系太阳轮输入,通过第一级差动轮系的行星架及齿圈分流到第二级的太阳轮及齿圈,第二级差动轮系再进一步进行功率分流,最后功率由准行星轮系的齿圈输出,实现了多级同时承担输入功率,结构非常紧凑,满足了小型化及轻量化需求。建立了两级功率分流式行星齿轮传动系统的三维弯扭耦合动力学模型,能够描述齿轮系统的三维平移-扭转运动和行星齿轮传动的级间耦合的影响,导出了系统的非线性时变动力学微分方程。运用模态分析法进行系统固有振动分析,两级功率分流式行星轮系的固有振动模式可分为5类:刚体振动模式,两级中心构件轴向平移扭转振动模式,两级中心构件径向平移振动模式,第一级行星轮振动模式及第二级行星轮振动模式。发现在功率分流式行星轮系中,中心构件轴向平移扭转振动模式及中心构件径向平移振动模式必然存在级间耦合,而行星轮振动模式与级间耦合无关。得出了各振型的代表性振型图,运用解析法证明了振型划分的正确性及完备性。研究了在三维弯扭耦合模型下单级行星轮系及两级功率分流式行星齿轮传动系统的动态特性,发展了分析功率分流式行星轮系动态响应特性的多尺度法,导出了进行分级模态坐标变换后的广义位移及系数矩阵,避免了级间运动耦合造成的求解困难,提高了计算效率及精度。得出了三维弯扭耦合模型下各共振模式的系统稳态响应解析解,分析了影响单级与两级功率分流式行星轮系动态特性的主要因素,发现了两者主要区别:与单级行星轮系相比,两级功率分流式行星轮系的动态响应特性与两级的啮合刚度变化及轮齿分离情况均相关,且任一级的啮合频率均可引起共振现象。区别于以往的解析法,该方法既能够直观地得出频响函数的数学结构及系统参数对频响函数的影响,又可分析稳态振动的稳定性、稳定区间等特性。建立了N级功率分流式行星齿轮传动系统的三维弯扭耦合非线性动力学模型,导出了多级三维耦合作用下的动力学微分方程组,求解其特征方程,结果表明N(N2)级功率分流式行星轮系固有振动可分为N+2类模式:整体中心构件轴向平移扭转振动模式、整体中心构件径向平移振动模式、第一级行星轮振动模式(N13)、第二级行星轮振动模式(N23)…第N级行星轮振动模式(NN3)。运用数值法分析了级间耦合刚度对固有振动特性的影响。发现整体中心构件径向平移振动模式对应的固有频率值随级间耦合径向支承刚度的增大而递增,整体中心构件轴向平移扭转振动模式的固有频率值随级间耦合轴向支承刚度及耦合扭转刚度的增大而增大,行星轮振动模式与级间耦合刚度的大小无关。随第i级行星轮系的啮合刚度增大,重根数为1,2及Nt-3的固有频率值呈增大的趋势,其他N-1种行星轮振动模式的固有频率及振型矢量不变。建立了两级功率分流式行星齿轮传动系统实验台。结合理论建模方式合理布置加速度传感器及激振点,将实验固有振动分析结果与理论分析结果对比,系统的前6阶固有频率基本一致,且测点位置的振动特征与理论计算得到的振型特征较一致,由此证明了理论建模的正确性。在某些工况下对系统的动态振动信号进行测试,结果表明系统的任一级都可能激发共振现象,在不同的输入转速下,系统发生以啮合频率为基频的主共振及次谐波共振。因此,本文理论研究时忽略外部激励的假设是合理的,将包含齿侧间隙非线性的时变啮合刚度描述为傅里叶谐波形式的分析处理是正确的。本文的研究工作为单级行星轮系及功率分流式行星齿轮传动系统的动力学建模及动态特性分析提供了理论依据,为功率分流式行星轮系的减振降噪奠定理论基础,具有较大的理论及实际应用价值。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH132.41
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本文编号：1459298