计入冲击和摩擦的航空附件齿轮系统动态特性与响应优化研究

作     者：裴世丰 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何泽银

授予年度：2024年

学科分类：082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：齿轮传动 啮入冲击 传动误差 响应优化 

摘      要：齿轮传动系统具有传动效率高、啮合平稳、可靠性高等特点,在航天航空、海洋船舶等领域得到了广泛的应用。航空发动机附件齿轮传动系统作为连接原动机与执行终端的桥梁,是航空发动机关键核心部件之一,其动态性能的好坏直接影响航空发动机及附件系统的可靠性和稳定性。随着航空发动机性能指标的持续提高以及机载附件数量的增加,附件传动系统的输入转速和功率不断上升,轮齿啮合过程中的冲击碰撞与磨损问题突出,导致传动系统振动特性恶劣。因此,开展航空附件齿轮传动系统的振动特性及响应优化研究,对附件齿轮传动系统振动控制、高可靠安全运行有着重要的应用价值。 论文以航空附件齿轮传动系统为研究对象,开展齿轮副啮入冲击与摩擦激励、传动误差激励、附件齿轮传动系统动态特性与响应优化研究,揭示内部激励作用下附件齿轮传动系统动态响应演变规律,为附件齿轮传动系统振动控制提供思路。论文主要研究内容如下: (1)基于齿轮弹性变形理论和冲击力学理论,计算齿轮副啮入冲击力与冲击时间。根据齿面润滑状态判断齿面摩擦形式,推导线外、线内啮合摩擦系数与摩擦力的解析公式,分析设计参数和运行工况对啮入冲击与齿面摩擦特性的影响规律。结果表明:啮入冲击随输入转速、转矩以及齿宽的增加而增大,随变位系数的增大而减小;线外啮合摩擦系数随转速和转矩的增大而减小,线内摩擦系数随着转速的增大而减小,随转矩的增大而增大。 (2)基于齿轮啮入冲击与弹流润滑原理,结合势能法和载荷分担理论,提出考虑线外冲击的时变啮合刚度和齿面载荷的计算方法。建立计及冲击和摩擦激励的齿轮副时变转速计算模型,探究考虑冲击和摩擦激励作用下齿轮转速变化规律,并计算齿轮副传动误差。结果表明:冲击和摩擦激励诱发齿轮转速产生周期性变化,线外啮合阶段,转速在啮入点处发生突增,之后非线性减小;线内啮合阶段,转速在理论值附近波动。 (3)基于集中质量法建立考虑齿轮啮合刚度、传动误差、摩擦以及冲击等激励的附件齿轮系统动力学模型,求解系统振动位移、动态传动误差以及动态啮合力,探究冲击与摩擦激励作用下系统动态响应的演变规律。结果表明:附件齿轮传动系统动态啮合力均值较理论值误差最大为7.5%;冲击激励加剧系统动态波动,导致系统振动特性恶劣,摩擦激励对系统响应影响较冲击激励要小。 (4)建立航空附件齿轮系统齿廓修形模型,确定齿轮副最佳修形参数。保证轮齿承载可靠性前提下,同时降低传动误差、冲击幅值和系统总体质量,形成振动-冲击-重量等性能优化设计方法,求解得到系统优化参数。结果表明:优化后附件齿轮传动系统的系统总质量较优化前降低了10.1%;齿轮副动态传动误差峰峰值较优化前最大降低了36.4%,齿动态啮合力峰峰值较优化前最大减小了27.7%,优化后系统动态动态性能得到明显改善。