基于谐波平衡法的减-变速集成齿轮振动特性研究

作     者：刘志家 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘大伟

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：非圆齿轮 面齿轮 谐波平衡法 参数振动 拍击振动 

摘      要：减-变速集成齿轮是一种新型的齿轮机构,融合了非圆齿轮和面齿轮的传动特征,可实现相交轴间的变速比传动。相对普通非圆齿轮与圆齿轮的串联传动机构具有高效轻量化的突出优势,因此,在航天航空、武器装备、医疗器械和机器人等领域具有广阔的应用前景。作为一种新型空间非圆齿轮传动机构,明确其动力学特性对于减-变速集成齿轮的设计和应用具有重要意义。根据减-变速集成齿轮的啮合原理,建立了该机构节曲线和齿廓模型,给出了齿轮时变瞬心、啮合刚度及轮齿误差的数学描述。考虑负载较大时,轮齿基本不发生脱齿现象,故不计齿侧间隙,构建了减-变速集成齿轮在时变瞬心和啮合刚度复合激励下的扭振模型,采用多阶谐波平衡法得到近似解析解,分析了齿轮的动态响应以及各参数的灵敏度,研究结果表明:齿轮在复合参数激励下存在复杂的多频响应,响应幅值随转速、偏心率、误差幅值、啮合刚度幅值比以及负载扭矩的增大而呈现不同的增大趋势。进一步,考虑轻载工况时,间隙将引起轮齿发生反复脱齿和冲击,故计入齿侧间隙,构建了减-变速集成齿轮间隙非线性扭振模型,综合利用谐波平衡法和离散傅里叶变换,推导出非线性模型的近似解析解,通过分析发现:随着偏心率、输入速度和误差幅值的增大,减-变速集成齿轮将依次经历非冲击状态、单边冲击状态和双边冲击状态,而啮合刚度的幅值系数对减-变速集成齿轮的状态转换影响不大。最后,搭建了减-变速集成齿轮振动测试平台,通过三向加速度传感器测试了齿轮系统的横向和轴向振动。实验结果表明:减-变速集成齿轮实际振动中的频率成分与理论分析中假设的谐波成分是吻合的,转速和负载对齿轮振动幅值的影响规律和理论分析结果基本一致,从而验证了减-变速集成齿轮振动模型及分析方法的正确性。