行星齿轮传动接触特性与系统振动动态耦合机理研究

Aiming at improving the design of vibration and noise for planetary gear train (PGT), the dynamic coupling mechanism between the contact characteristics of multiple gear pairs and vibration of multi-bodies of PGT will be studied theoretically and experimentally. Firstly, an efficient model of dynamic loaded tooth contact analysis (DLTCA) considering hybrid high-low frequency errors will be established for internal/external gear pair by combination of the finite element method and analytical contact mechanics, which makes it possible to probe the effects of various factors on the nonlinear dynamic excitations. Secondly, a dynamic model considering all flexible components of PGT will be built based on the idea of generalized finite element. Then, a new method integrated tooth contact and system dynamic analyses will be proposed, and the “excitation - response - feedback” closed loop process for vibration analysis of PGT will be realized. The influences of gear parameters, manufacturing/assembling errors and structural flexibility on the tooth contact characteristics and dynamic responses will be studied. Once the coupling mechanism between multiple dynamic excitations and responses of multi-bodies is clarified, the essence of nonlinear dynamic phenomena of PGT will be revealed. Finally, experimental studies on the dynamic contact characteristics and vibration of PGT will be carried out to testify the validity of the proposed models. The achievements of this project will provide theoretical basis to support high reliability and low noise design of PGT.

以进一步提高行星齿轮传动振动噪声设计能力为目标，围绕系统多副接触特性与多体振动响应间的动态耦合机理，开展理论与试验研究。首先，结合有限元法与解析接触力学，建立考虑高低频混合误差的内/外啮合齿轮副高效动态承载接触分析（DLTCA）模型，探究多因素关联的非线性振动激励变化机制。其次，基于广义有限元思想，构建计入系统全结构柔性的动力学分析模型。然后，提出齿面动态接触与系统动力学耦合分析新方法，实现系统振动“激励—响应—反馈”相闭环的动力学分析流程。研究齿轮参数、制造/安装误差和结构柔性等对系统接触特性和动力学响应的影响规律，在阐明系统多源激励与多体振动响应耦合机理的基础上，进一步揭示系统产生非线性动力学现象的深层内在本质。最后，开展行星齿轮传动动态接触和振动性能试验，验证所建模型的正确性和有效性。本项目研究成果可为高可靠性与低噪声的行星齿轮传动设计提供理论基础支撑。

行星齿轮传动具有传动比大、结构紧凑、功率密度高和工作平稳的优点，在有限安装空间、大动力和高速等传动场合具有显著的优势，因此被广泛应用在航空、船舶、风电、冶金和矿山等诸多领域。行星齿轮传动的振动噪声问题一直是国内外学者和工程技术人员关注的热点。本项目以进一步提高行星齿轮传动振动噪声设计能力为目标，围绕系统接触特性与振动响应间的动态耦合机理，开展了相关理论与试验研究。.1）基于切片法以及有限元-接触力学相结合的理论，分别提出了计入误差作用的外啮合和内啮合齿轮副高效承载接触模型，能够快速计算外/内啮合齿轮副传递误差和啮合刚度等振动激励。齿轮结构会显著影响传递误差的大小；当轴向/端面重合度在整数附近时，传递误差波动最小。.2）将齿面承载接触分析模型和系统动力学模型相耦合，建立了齿面瞬态接触与系统振动耦合动力学模型，实现系统振动“激励—响应—反馈”相闭环的动力学分析流程。通过与已有试验结果对比，验证了模型的有效性。研究发现齿轮在共振区附近时的动态啮合刚度与静态时差异较大；无误差的重载齿轮副也可能出现脱啮现象。.3）利用广义有限元法的思想，建立考虑齿轮、轴、行星架和箱体等各结构柔性的行星齿轮系统三维动力学模型，并研究了系统的固有特性。该方法可用于多种不同构型和参数的行星系统动力学快速建模。.4）研究了不同因素对齿轮系统接触特性和动态响应的影响规律，主要包括载荷工况、轴系变形引起的齿轮错位量、箱体柔性的影响、齿轮修形等的影响等。齿轮误差在轻载时对系统振动的影响更大；轴系的变形可能增大系统振动，而考虑箱体后，系统的振动可能增大或减小。.5）搭建了功率开式静态传递误差试验台，测试了不同重合度外啮合齿轮副的传递误差波动量。通过与仿真数据的对比，验证了项目中提出传递误差计算方法和所得规律的正确性。.本项目的研究成果从更深层次上揭示了系统非线性振动的机理，可以作为齿轮系统非线性动力学研究的有效补充。