齿轮稳态温度场及热变形研究

根据摩擦学、传热学以及齿轮啮合原理等知识,确定了轮齿各表面的对流换热系数的计算方法,及啮合面摩擦热流密度的计算方法.利用APDL语言建立了单齿热力耦合分析的有限元参数化模型.引进了混合介质特性参数的比例因子及修正系数,使得有限元模型更加接近实际工况.得到了齿轮单齿稳态温度场及热变形的有限元分析结果.并通过数据处理得到了啮合面热变形量沿啮合线法线方向的变形曲面.研究结果表明:齿轮的稳态温度场存在明显的温度梯度,啮合面温度最高,最高温度出现在啮出端双齿啮合区中部.齿轮的热变形存在明显的变形梯度,齿顶变形量最大,齿根最小.热变形沿啮合线法线方向的变形量,在齿顶中部最大,在齿宽方向成上凸分布,且在齿顶位置上凸最明显;在量级上与齿廓修形的修形量处于同一量级,因此将对齿廓修形的效果产生很大影响.本文的研究可为考虑热变形的齿廓修形设计等提供理论依据.     

斜齿轮时变啮合刚度算法修正及影响因素研究

针对势能法计算斜齿轮时变啮合刚度精度不足问题,提出一种刚度修正算法.考虑端面重合度大于或小于轴向重合度两种情况下单齿接触线长度的不同表达形式,建立齿根圆与基圆不重合时的变截面悬臂梁模型,采用切片法和积分思想推导并计算了斜齿轮啮合刚度,通过与ISO算法和有限元法对比分析,验证了该修正算法的可行性.在此基础上,探讨了螺旋角、模数、齿数、齿宽和压力角等参数对啮合刚度的影响.计算与分析表明,啮入段的相对时间与端面重合度和轴向重合度大小及比重有关;齿轮基本参数的变化引起重合度和单齿啮合刚度的改变,进而影响综合啮合刚度波动值和均值;当端面重合度或轴向重合度在整数附近时,啮合刚度波动值较小,而总重合度在整数附近时,啮合刚度波动值较大.与传统势能法相比,修正算法提高了斜齿轮时变啮合刚度的计算精度,在斜齿轮刚度激励的准确计算方面具有较强的实用性.     

圆柱齿轮热弹变形数值分析

本文既给出了一种一般的啮合轮齿热弹性变形分析数值方法，又给出了啮合轮齿耦合热弹变形分析数值方法，对机床齿轮及轧机齿轮的分析实例表明这种方法是有效而可靠的。     

几种典型齿轮时变啮合刚度计算方法对比

啮合刚度是齿轮传动的重要动力学特性参数,当齿轮运行状态发生变化,如出现齿根裂纹时,这种变化会在时变啮合刚度中体现.准确地计算齿轮的时变啮合刚度对模拟齿轮系统的动力学特性意义重大.势能法、有限元法和石川法是计算齿轮时变啮合刚度的常用方法.以正常及含齿根裂纹的渐开线直齿圆柱齿轮为研究对象,对这3种方法的综合时变啮合刚度结果进行了对比分析,结果表明:有限元法计算速度慢,但更能够适用于多种复杂裂纹结构下的啮合刚度的计算,计算原理与实际工况更为吻合;势能法与石川法的计算速度快,对于简单裂纹或多级齿轮传动,可以优先采用势能法与石川法进行计算.     

行星齿轮传动柔性齿圈齿根动应力计算及光纤光栅检测方法

为有效提取行星齿轮传动系统柔性齿圈齿根动应力,综合考虑系统动力学特性,提出了一种内齿圈动应力的计算方法。在计算中,计入行星齿轮传动系统各部件的耦合关系,建立了行星齿轮传动系统平移-扭转耦合动力学模型,提取系统动载荷时域历程。采用有限元方法建立齿圈结构动力学分析模型,将内齿圈各轮齿啮合区划分出n条接触线,并用轮齿承载接触分析(LTCA)方法确定齿间载荷分配关系。运用模态叠加法对内齿圈动力学方程解耦,采用Newmark-β法逐次积分,计算了不同载荷下内齿圈齿根动应力。与Kahraman等仿真算法以及实验结果对比,结果表明:齿根应变在一个啮合周期中,经历了单齿受压、双齿拉压以及单齿受拉3个波动过程,与光纤光栅检测结果一致,并且在不同负载下,测量误差均小于10%;行星轮与内齿圈啮合至支撑位附近时,在支撑位置两侧形成反向对称变形趋势,应力呈现出对称分布,行星轮啮合位置远离内齿圈支撑位时,啮合位置应力明显增大,齿槽结构对齿圈齿根应力影响显著。     

基于改进能量法的直齿轮时变啮合刚度计算

在现有文献的基础上,将轮齿简化为齿根圆上的悬臂梁,并考虑较为真实的过渡曲线,对现有的能量法计算齿轮啮合刚度作了进一步修正.通过与文献和有限元结果的对比,给出了误差产生的原因,验证了所提出的修正方法的有效性.提出的方法避开了齿数的判断,提高了能量法计算齿轮啮合刚度的通用性.此外,考虑较为真实的过渡曲线方程,保证了轮齿建模的准确性,进一步减小了啮合刚度的计算误差,研究结果可为直齿轮啮合动力学分析提供理论基础.     

多齿根裂纹对齿轮传动时变啮合刚度的影响

时变啮合刚度是影响齿轮传动振动特性的重要参数,常用于基于振动的齿轮传动裂纹诊断。为深入研究齿轮裂纹诊断问题,旨在研究齿根裂纹对齿轮传动装置时变啮合刚度的影响。首先,基于齿轮所受转矩和啮合齿轮转角变形量,推导出齿轮传动装置的时变啮合刚度理论模型。然后,以渐开线标准直齿圆柱齿轮为对象,建立含齿根裂纹齿轮传动副有限元模型,提出基于有限元方法的齿轮传动时变啮合刚度计算方法。最后,通过数值算例讨论了一个啮合周期内齿根裂纹对单对轮齿啮合和两对轮齿啮合时啮合刚度的影响。结果表明,两对轮齿啮合时,双裂纹参与啮合不仅降低啮合刚度,而且远大于单裂纹对啮合刚度的影响;与单裂纹参与啮合相比,随着双裂纹的裂纹深度增加,啮合刚度的下降率增大;增加裂纹深度时,两对轮齿啮合时啮合刚度峰值与单裂纹单对齿啮合时啮合刚度峰值的差距缩小;组合裂纹参数下两对轮齿啮合时,因为轮齿参与啮合顺序不同,裂纹深度对齿轮啮合刚度的影响明显不同。研究结论可为基于振动特性的含多裂纹的齿轮传动裂纹诊断提供理论支撑。     

固热耦合作用下风力机齿轮系机械可靠性灵敏度分析

实际运行中的MW级双馈式风力机传动系统的齿轮传动副,受环境的风载荷影响经常出现裂纹、齿根断裂等机械故障,其原因主要是由于齿轮传动系的固有频率随着运行条件的改变而产生相应变化,致使整个系统产生共振.经典的传动系统可靠性研究是从结构和材料本身展开研究分析,对设备本身在运行环境下热应力的变化考虑较少,从而造成齿轮传动系的共振产生.引入热耦分析理论,在已有的机械可靠性模型基础上重构固热耦合分析控制方程.以概率有限元法为计算手段,研究在热应力作用下风力机齿轮系固有频率变化特点,从而为进一步开展风力机传动系统可靠性设计提供了一种研究方法.     

基于加工模型的大重合度齿轮时变啮合刚度计算

针对大重合度齿轮实际加工齿廓的过渡曲线、齿顶修缘、齿厚均与理想齿廓有所不同,对其啮合时变刚度计算方法进行了研究,建立了凸角修缘类型滚刀参数方程,依据齿轮啮合原理,推导剃(磨)齿前滚刀参数方程以及剃(磨)齿后齿轮齿廓的参数方程,结合现有计算大重合度齿轮时变啮合刚度的能量法,设计了改进势能法模型.根据齿廓参数方程编制了大重合度齿轮模拟软件,基于有限元软件计算出齿轮时变啮合刚度.将改进势能法模型与有限元法模型求解出来的结果进行对比,得出改进势能法模型的计算结果与有限元分析结果有较好的一致性,证明了所提出的改进势能法模型具有有效性.利用改进势能法模型研究了齿厚、过渡曲线、齿顶修缘对单齿啮合刚度最大值以及时变啮合刚度均值的影响.结果表明:齿厚对单齿啮合刚度最大值以及时变啮合刚度均值影响较大;过渡曲线部分主要的影响参数——凸角凸出部分径向高度、凸角径向高度、滚刀齿顶圆弧的半径对单齿啮合刚度最大值以及时变啮合刚度均值影响较小;齿顶修缘参数中的加工滚刀的修缘高和修缘角对单齿啮合刚度最大值的影响较小,但是对齿轮啮合刚度均值影响较大.     

齿轮转子系统参数振动特征的数值研究

以渐开线直齿圆柱齿轮传动作为研究对象,计及轴和支承的弹性变形以及轮齿时变啮合刚度,忽略啮合侧隙和轴承间隙,建立了齿轮转子系统扭转—横向振动相互耦合的3自由度动力学方程。利用数值仿真方法,研究了系统在时变刚度激励下稳态响应的特征,探讨了支承刚度、支承阻尼、啮合阻尼等参数对振动失稳和参数共振的影响。研究结果对于齿轮传动的减振与降噪具有积极意义。图9,参14。     

考虑裂纹与磨损故障的齿轮传动系统动态特性分析

针对齿轮系统中同时出现裂纹与磨损故障时实现复合故障诊断较为困难的问题，提出了考虑齿廓磨损和齿根裂纹故障的齿轮传动系统动态特性分析模型。首先，基于Archard公式，建立齿轮传动系统磨损数值仿真模型，求解不同磨损周期下的齿廓磨损量；然后，通过势能法建立裂纹及磨损作用下的单齿啮合刚度计算模型，在双齿接触区考虑啮合齿对磨损量间的关系，结合变形协调，建立双齿啮合刚度计算模型；最后，采用集中质量法建立齿轮系统4自由度动力学模型，以含故障的时变啮合刚度为输入，使用Newmark-β法对动态响应进行求解，获得不同程度裂纹与磨损作用下的齿轮动态特性。实验结果表明：该模型能够较好反应复合故障中磨损与裂纹特征；与未考虑磨损后双齿区实际变形的裂纹与磨损复合故障模型相比，该复合故障模型双齿区刚度计算准确性提高了约22%,所提模型可为含磨损与裂纹的齿轮传动系统故障诊断提供有效的动力学补充。     

直齿轮传动中各啮合点的齿间载荷和油膜厚度的分布规律

本文采用藤井贤治三梯形法得到的轮齿综合变形来计算直齿轮轮齿的综合啮合刚度和单齿啮合刚度，并考虑弹流润滑的中心油膜厚度产生的影响，得到了一种更完善更接近工程实际的直齿轮传动中各啮合点的齿间载荷分布关系并用这种新的齿间载荷分布关系计算得到标准和变位直齿轮在各啮合点处的中心油膜厚度分布关系，两者与传统值有较大差异这将有助于人们对齿轮传动的强度、润滑和失效机理更深入的认识．     

面齿轮轮齿刚度的计算方法及其影响因素分析

面齿轮轮齿刚度是面齿轮传动啮合刚度的基本组成,其计算方法的解决可为面齿轮啮合刚度以及后续动力学分析奠定必要的理论基础。基于Buckingham的观点,将面齿轮齿形看作是由沿齿长方向一系列变压力角的齿条组成,得到沿轴向和径向都为变截面的面齿轮简化齿形,获得了面齿轮轮齿啮合变形的计算公式,求解出了面齿轮轮齿刚度;并通过与有限元法进行对比分析,验证了面齿轮轮齿刚度计算方法的可行性;分析了面齿轮模数、压力角以及齿宽对其轮齿刚度的影响。结果表明：面齿轮模数越大,其轮齿刚度沿齿根到齿顶的变化率越小;面齿轮压力角越大,其轮齿刚度越大,但沿齿根到齿顶的变化率基本不变;面齿轮齿宽越大,其轮齿刚度越大,且沿齿根到齿顶的变化率较之压力角的影响大。     

基于圆弧啮合线内啮合齿轮设计与特性分析

针对内啮合齿轮传动,提出1种基于圆弧啮合线的大重合度内啮合齿轮构造方法。选取连接外齿轮和内齿圈节圆交点和齿顶圆交点的圆弧为啮合线,构造在该啮合线上共轭的外齿轮和内齿圈齿顶齿廓;根据共轭原理设计与齿顶齿廓共轭的齿根齿廓,完成内齿圈齿根齿廓修形;对新齿形进行根切检验,分析新齿形啮合几何特性及加载接触;利用数控加工方法完成内啮合齿轮样件的加工并进行啮合试验。研究结果表明:新齿形不产生根切和齿顶干涉;与渐开线内啮合齿轮相比,新齿形重合度大大提高,相对滑动率减小,相对法曲率增大;齿面接触和齿根弯曲应力显著降低,承载能力大大提高;齿数比为38/53的新齿形存在7对齿接触,验证了新齿形的大重合度啮合。     

温度变化对啮合齿轮侧隙的影响

啮合齿轮在稳定工作时,由于摩擦等原因,引起齿轮轮体、润滑油、箱体的温度变化。该文运用热弹性力学原理,分析了在没有加工误差或齿轮副安装误差的条件下,温度变化对啮合齿轮侧隙的影响,计算了保证热变形齿轮正常工作所需的最小侧隙。     

渐开线直齿圆柱齿轮侧隙的探讨

在总结分析国内外渐开线直齿圆柱齿轮侧隙和齿厚偏差标准的基础上,以寻求一种新的选择齿轮副侧隙和齿厚偏差的方法。文中最小极限侧隙的计算不仅考虑了啮合轮齿间油膜厚度和齿轮,箱体热膨胀对侧隙的影响,而且考虑了轮齿受载弹性变形对侧隙的影响。并利用弹流理论来研究啮合轮齿间油膜厚度,用有限元法来研究轮齿受载弹性变形。     

直齿轮弹性变形、热变形及齿廓修形

本文采用边界元法估算齿轮的弹性变形和热变形.导出考虑变形和误差时,载荷分配系数和从动轮滞后角的分段解析式.提出齿廓修形曲线应满足的条件.指出:为满足合适的载荷分配系数和从动轮滞后角要求,修形曲线不是唯一的,可以结合工艺实际情况加以确定.当两轮变形量大目差较大时,不仅齿顶或齿根等及义齿啮合区应进行齿廓修形,而且单齿啮合区也应适当修整.     

渐开线直齿轮轮齿载荷及应力计算方法

齿轮在工作过程中,由于存在单对齿与双对齿的交替啮合、齿轮的啮合点位置不断发生变化、齿轮在啮合中产生弹性变形等原因,使得齿轮的载荷十分复杂,要精确计算齿轮啮合过程的受力较为困难。对渐开线直齿轮的啮合过程进行了分析,建立了齿间载荷分布的基本力学模型,分析了齿轮啮合过程的变形协调关系,推导了参与啮合的轮齿所发生的各种挠曲变形和弹性接触变形的计算模型,进而建立了能够精确计算齿轮啮合过程中受力的计算方法。通过一个具体的计算实例,计算了齿轮啮合过程中齿面受力、齿根应力和齿面接触应力的变化规律,并用曲线进行描述。此计算方法能够较为精确地计算齿轮在啮合过程中不同位置的受力和应力,为精确进行渐开线齿轮的力学分析提供了一种有效的新方法。     

考虑温度效应的斜齿轮时变啮合刚度解析算法

以斜齿轮副为研究对象,基于切片法和积分思想,计入齿面接触温度变化引起的齿廓形变,结合轮齿接触、弯曲、剪切、轴向压缩及基体弹性变形,提出了考虑温度效应的斜齿轮啮合刚度解析算法,并通过有限元法验证了算法的准确性.分析了不同摩擦因数、输入转矩、输入转速等工况参数对斜齿轮啮合刚度的影响规律.结果表明,考虑齿轮温升影响后,轮齿从啮入到啮出整个过程的啮合刚度均有所增大;随着摩擦因数、输入转矩和输入转速的增大,斜齿轮本体温度及啮合齿面瞬时闪温升高,单齿啮合刚度和综合啮合刚度均值呈增大趋势.研究结果可为高速重载齿轮系统准确高效的动力学分析提供理论依据.     

修形圆柱齿轮啮合刚度计算公式

基于CAD/CAE工具与方法,提出一种基于有限元软件定量计算修形齿轮啮合刚度、重合度等性能参数的计算方法,通过数值计算结果阐明修形齿轮修形量与啮合刚度等等定量关联规律。基于有限元准静态分析和齿轮啮合刚度计算原理给出修形齿轮啮合刚度计算公式,解决修形齿轮动力学研究中的刚度计算问题,给出微米级齿轮修形参数对轮齿啮合刚度的影响规律。研究结果表明:利用该计算方法所得结果与FE软件计算结果相吻合,为科学、合理地选择与评价齿轮修形参数提供一种解决方法,为高性能齿轮设计提供参考。