基于热弹耦合多物理场的高速重载齿轮传动系统非线性振动机理研究

As gear transmission towards high speed and heavy loaded development, the vibration and noise problem of the gear system has become a key problem of restricting its development, but the existing dynamic research of gear system was not considering the temperature rise of gear surface and thermal deformation of tooth profile, the influence on calculation result for meshing stiffness, oil-film damping, backlash and gear transmission error with high speed and heavy load is bigger, the dynamic behavior of the gear can not be truly reflected the actual operation. On the basis of high speed and heavy loaded fixed axis and planetary gear transmission system as the research object, based on gear meshing theory, nonlinear system dynamics, thermodynamics and elastohydrodynamics lubrication, the vibration mechanism of nonlinear thermo-elastic coupling of the gear transmission system is studied, including the calculation of gear thermal stiffness, tooth backlash, transmission error and oil-film damping based on the thermo-elastic coupling, nonlinear dynamic model of the thermo-elastic coupling is set up and solved, the dynamic characteristics of multi-physics field coupling is analyzed. The project is of important significance to improve the accuracy of dynamic model and dynamic load assessment and can provide theory support for the dynamic optimization design of gear transmission system with low noise and high performance.

随着齿轮传动向着高速重载方向发展，齿轮传动系统的振动噪声已成为制约其发展的关键问题，可是现有齿轮系统的动力学研究均未有考虑齿轮温升和轮齿热膨胀变形对啮合刚度、油膜阻尼、齿侧间隙和传动误差等非线性时变特征参数的影响，这对于高速重载齿轮传动来说其计算结果误差较大，不能够真实地反映齿轮实际运行的动态行为。本项目以高速重载定轴和行星齿轮传动系统为研究对象，基于系统动力学、热力学和润滑力学等理论，研究多物理场作用下齿轮传动系统的非线性热弹耦合振动机理，包括考虑热弹耦合变形的齿轮时变啮合刚度计算、考虑轮齿热膨胀的齿侧间隙计算、考虑热变形的传动误差计算、考虑轮齿弹性变形与热变形耦合弹流润滑的油膜阻尼计算、非线性热弹耦合动力学模型的创建及求解、热场-力场-流场等多物理场耦合的动特性分析，这对于提高齿轮传动系统动力学模型和动载荷预测的准确性具有重要意义，项目研究可为低噪声高性能齿轮传动系统设计提供理论依据。

随着齿轮传动向着高速重载方向发展，齿轮传动系统的振动噪声已成为制约其发展的关键问题，可是现有齿轮系统的动力学研究均未有考虑齿轮温升和轮齿热膨胀变形对啮合刚度、油膜阻尼、齿侧间隙和传动误差等非线性时变特征参数的影响，这对于高速重载齿轮传动来说其计算结果误差较大，不能够真实地反映齿轮实际运行的动态行为。为了解决上述问题，本项目以高速重载齿轮传动系统为研究对象，建立了多物理场耦合的齿轮时变特征参数的计算模型，基于轮齿接触分析、热弹性力学以及瞬时温升的计算方法，对齿轮副在各个啮合时刻进行了热变形、弹性变形和热弹耦合变形的计算分析；研究了齿轮运转过程中接触点的温升和变形随时间的变化规律，并将轮齿热弹耦合变形量沿啮合线变化转化为啮合刚度变化，构建了瞬态热弹性流体动力润滑方程组，分析了油膜内的压力分布、温度场分布和油膜厚度分布，推导了齿轮时变啮合热刚度、等效粘性阻尼和静动态传动误差的计算公式，从而得到了更加接近客观实际的动态时变特征参数；采用系统动力学、热力学与润滑力学理论，创建了基于热弹耦合多物理场的齿轮传动系统非线性动力学分析模型，研究了齿轮传动系统热力学与动力学交互作用机理，提出了齿轮传动系统非线性热弹耦合动力学方程的数值迭代求解方法，揭示了轮齿热弹耦合变形和温升对齿轮传动系统动态特性的影响规律；研究了基于热弹耦合变形和减振降温的齿轮综合修形方法，提出了利用相位谐调和配置不同级齿轮参数来改变啮合相位及抑制齿轮振动温升方法，实现了减振降温的目的；运用计算机辅助无线传感测试系统开展了多传感器信息融合的热振实验，完成了不同载荷及速度等工况下齿轮温升及振动的测试工作，并将实验测试结果与理论分析结果进行了比较，验证了理论分析的正确性，上述研究对于提高齿轮传动系统动力学模型和动载荷预测的准确性等具有十分重要的理论及实际意义，项目研究可为低噪声高性能齿轮传动系统设计提供理论支撑。