齿面磨损对直齿轮传动系统动态特性的影响研究

作     者：卢凯文 

作者单位：青岛理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵娟;冯自立

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：渐开线直齿轮 齿面磨损 齿轮传动系统 动态特性 时变啮合刚度 

摘      要：齿轮传动是机械设备中最普遍的动力传递形式。齿轮在传递动力的同时,齿面会不可避免的产生磨损,贯彻运行始终。齿面磨损会改变齿廓形状,影响齿轮的正常啮合,继而改变齿轮传动系统的动态特性,引发整个系统不稳定,产生诸多其他故障。为揭示齿面磨损过程对齿轮系统动力学的影响,有效的监测齿轮的磨损。有鉴于此,本文综合齿轮磨损模型、齿轮动力学基本理论和齿轮磨损试验对含磨损故障的直齿轮传动系统动力学特性开展研究。主要研究内容如下:(1)齿面磨损分布情况分析。基于Archard公式和Hertz接触理论建立渐开线直齿轮磨损模型,在MATLAB中数值仿真出不同啮合位置的磨损系数、滑动距离和接触应力,最终计算出齿面磨损情况。数值仿真表明:齿面磨损深度呈现非均匀分布,齿根、齿顶位置磨损量大,而在节线位置几乎不发生磨损。(2)考虑齿面磨损的齿轮模态特性研究。按磨损数值仿真结果在啮合齿轮模型上施加齿面磨损故障,导入到ABAQUS中仿真,对比分析磨损前后齿轮前10阶的模态特性。仿真得到齿轮丰富的振动形态,磨损对振型影响不明显,但固有频率出现明显升高,其中高阶固有频率增大幅度更明显。(3)含磨损故障的齿轮时变啮合刚度和传递误差研究。选用势能法对啮合刚度进行求解计算,分析了磨损对时变啮合刚度和静态传递误差的影响。结果表明:磨损引起的静态传递误差会以啮合频率为周期而变化,并随着磨损循环次数的增加而不断增大;磨损会导致啮合刚度下降,其中双齿啮合刚度的下降幅度大于单齿啮合刚度的下降幅度,影响系统的稳定性。(4)建立了考虑多种非线性因素的6自由度直齿轮动力学模型。综合采用时域、频谱、相平面及Poincare映射对不同磨损程度的系统动态响应进行分析。研究发现,磨损会导致齿轮系统振动响应逐渐变得复杂,系统非线性增强,由单周期运动变为拟周期运动。(5)齿轮磨损试验研究。搭建了动车齿轮箱可视化试验原理平台,借助齿轮试验台进行5000万次循环的磨损试验,分析齿轮箱在不同磨损循环次数下的齿面磨损状况及齿轮箱的振动响应。试验证明了磨损仿真结果的可靠性,齿根和齿顶位置磨损严重,齿面磨损形式以粘着磨损为主,呈现出多种磨损表面特征。试验同时也证明了磨损对系统振动响应的影响,随着齿面磨损程度加剧,齿轮箱的振动幅值及啮合频率、高次谐波的幅值都明显上升,齿轮系统的特征频率可以很好地反应齿面磨损过程,进而达到识别早期齿面磨损状态的目的。