基于刚柔耦合的航空封闭差动行星齿轮均载方式及动力学特性研究

The power for an encased differential planetary gear is separated by the encased stage and differential stage, so the encased differential planetary is characterized by strong load carrying capacity and compact space, and is usually used in the aviation gear transmission. However, there is unequal load sharing among the planets due to the installation error of the planetary system and the unbalanced torque in the power circuit, which caused vibration, stress fluctuation, and seriously affects the reliability of aviation gear transmission. According to a single load sharing mechanism can not solve the uneven load problem, this project use the basic component floating and elastic component methods, analyze the rigid-flexible coupled dynamics performance of the encased differential planetary transmission based on the centralized parameter method and the finite element method. Then considering the gyro torque, the rigid-flexible coupled dynamics load sharing model for the high-speed aviation encased differential planetary gear is established. The load sharing performance and the coupling mechanism for the basic components floating and flexible pin, flexible ring gear is studied respectively. Then the influence for the structural parameters of the flexible ring and pin on the load sharing performance is quantitatively studied. The structural parameters of the flexible members are optimized. The load sharing evaluation system is put forward based on the relationship among the load sharing method-load sharing coefficient-structural parameters. The completion of this project will provide technical support for the airborne encased differential planetary gears with high reliability.

封闭差动行星齿轮通过封闭和差动两级传动进行功率分流，具有承载能力强和空间紧凑的特点，故常应用于航空齿轮传动，然而由于行星系统制造安装误差和封闭差动功率回路中的力矩不平衡引起行星轮载荷分配不均，导致振动和应力波动从而严重影响航空齿轮传动的可靠性。针对高速封闭差动行星传动单一均载方式难以解决不均载的问题，本项目采用基本构件浮动和弹性元件耦合均载方式，开展基于集中参数—有限元法的封闭差动行星齿轮系统的刚柔耦合动力学特性研究。考虑陀螺力矩建立高速航空封闭差动两级行星齿轮刚柔耦合动力学均载模型，探索基本构件浮动和与柔性销轴、柔性内齿圈多种均载方式的均载性能和耦合作用机理。定量研究柔性销轴和柔性内齿圈结构参数对均载系数的影响，对柔性构件结构参数进行优化，建立基于均载方式—均载系数—结构参数关系的均载性能评价体系。本项目的完成将为实现高可靠性的航空封闭差动行星齿轮传动装置提供技术支撑。

航空封闭差动行星齿轮系统，通过封闭和差动两级功率分流，有效减小各构件的负载，较一般行星传动结构更紧凑。然而，由于封闭差动分流的功率回路存在较大平衡力矩，导致封闭差动行星传动的不均载问题较普通行星传动更严重，影响航空传动系统的安全性和可靠性。但是研究传动系统全部采用有限元软件模拟，计算量太大，为此，本项目研究了多种均载措施下航空封闭差动行星齿轮传动系统刚柔耦合动力学均载特性，主要包括柔性构件有限元理论与试验方法、传动系统刚柔耦合动力学建模方法、多种均载措施耦合机理以及均载结构参数研究等。项目组紧紧围绕研究目标和研究内容，按照研究计划有序系统地展开研究，完成了项目预定的各项研究内容，取得的主要研究进展包括：（1）开展了高速封闭差动行星传动弹性元件有限单元模型及试验研究，为柔性构件模型的理论研究提供依据；（2）综合制造安装误差，发展了包含质量矩阵、陀螺矩阵和刚度矩阵的高速封闭差动行星传动刚柔耦合动力学均载建模技术；（3）为了提出高速封闭差动行星传动系统的均载策略，开展了高速封闭差动行星传动基本构件浮动和弹性元件均载耦合机理研究；（4）为获得最优的高速封闭差动行星传动系统均载性能，开展了封闭差动行星传动结构参数和均载性能研究；（5）为获得稳态下行星传动系统各齿轮节点动态振动响应，完成了不同均载措施组合作用下系统的动力学性能研究；（6）为获得更好的均载性能，发展了行星齿轮传动变刚度及减小行星轮轴向倾角的新型柔性销轴均载技术；（7）针对行星轮系柔性内齿圈均载存在轮缘薄齿根应力大和轮缘厚不能充分变形的问题，提出了一种新的内齿圈柔性均载技术，等等。所发展的基于刚柔耦合的航空封闭差动行星齿轮传动系统动力学均载研究方法，有效解决了多种均载措施下行星传动系统均载性能研究的问题，促进了封闭差动行星齿轮传动的工程实际应用。