二级行星轮系动态特性和疲劳寿命分析与实验研究

作     者：王得峰 

作者单位：江西理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵运才

授予年度：2022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：内齿圈结构 动态特性 齿面摩擦磨损模型 S-N曲线修正 疲劳仿真 

摘      要：近年来,随着各种具有高强度、耐冲击、耐高温、低磨损等优异性能工程塑料出现,以及注塑成型工艺技术的快速发展,在一些中低等功率的齿轮传动中,广泛采用塑料齿轮来代替传统金属齿轮,并取得了较好的效果,“以塑代钢的趋势日益增长。当前,我国塑料齿轮行业发展迅猛,然而直到2019年才拥有第一个关于塑料齿轮最基本的精度标准,对塑料齿轮的强度设计方法等未进行规定,严重制约了塑料齿轮行业的发展。对齿轮设计人员来说,含塑料齿轮的传动系统都需要面临两大问题,即齿轮箱的运行噪声和塑料齿轮的疲劳寿命,因此,深入研究塑料齿轮箱的噪声以及疲劳寿命问题,有利于为塑料齿轮设计提供思路和参考。本文以理论设计、动力学仿真和实验验证相结合的方式研究了某二级行星轮系,对齿轮箱存在噪声和疲劳寿命问题进行了深入研究。针对齿轮箱存在噪声的问题,通过改变行星轮系内齿圈结构得以解决。传统多级行星轮系的内齿圈均为一体式的,文章创新性的提出多级内齿圈分体式结构,通过Recur Dyn创建了内齿圈分体式与一体式结构的刚体动力学模型,模拟了齿轮箱在工作时系统的啮合状态,比较分析了多种齿轮箱动态特性,均表明分体式内齿圈齿轮箱振动更小、传动更平稳;其次,重点分析了一、二级行星齿轮与内齿圈接触力频谱图,一、二级行星架角加速度时频谱图,对比分析了系统的传动特性,振动能量的传动路径,并分离出通过一体式内齿圈传递的振动能量对系统传动平稳性的影响。对两种模型的齿轮箱进行噪声和动态稳定性测试,分体式模型噪声比一体式模型小约6d B,振动小、传动更平稳。针对齿轮箱存在疲劳寿命不足的问题,通过更换疲劳件的材料得以解决。在内齿圈分体式模型的基础上进一步研究齿轮箱疲劳寿命问题。通过疲劳测试发现,当二级太阳齿轮材料为PA66+30GF时,齿轮箱循环次数约为6100次,其材料为POM 100P时,齿轮箱循环次数超过10000次,而强度校核时前者更大,因此产生了设计与实际情况不符的现象。通过对齿轮进行全寿命粗糙度试验,得到了二级太阳齿轮采用两种材料时齿面粗糙度与循环次数之间的关系。基于摩擦学原理建立了粗糙度与摩擦系数和磨损系数的模型,并根据塑料齿轮设计经验考虑了几个对齿轮疲劳寿命有重大影响的因素,并对材料的S-N曲线进行了修正,最后基于VDI2736完成了二级太阳齿轮疲劳寿命的评估,结果与疲劳试验保持一致。最后,对二级太阳齿轮材料采用PA66+30GF和POM 100P的疲劳寿命进行了仿真,并与前面的结论进行对比分析。在内齿圈分体式模型的刚体动力学模型基础上,将二级太阳齿轮柔性化,得到其材料分别为PA66+30GF和POM 100P的刚柔耦合动力学模型。采用Recur Dyn中的Durability模块,并将前面修正后的材料S-N曲线导入,分别得到齿轮箱的疲劳仿真寿命,与前面基于VDI2736计算的理论结果和基于疲劳寿命测试得到的实际结果相比较,三种疲劳结果具有一致性,从而进一步验证前面所建立的模型的准确性,以及动力学软件仿真结果的可靠性,具有实际参考价值。