齿面动态磨损与含磨损故障的传动系统非线性特性研究

齿面磨损是齿轮传动系统最主要的失效形式之一，传动系统的精度、负载能力和使用寿命在齿面经历长时间磨损后都会极大降低。目前齿面磨损模型基本上是一种准静态模型，影响到对齿面磨损进程的准确认识和了解，制约进一步提高齿轮传动系统的性能。本课题采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，通过研究影响齿面磨损进程的载荷、磨损系数、轮齿温度等关键参数的动态变化规律，建立齿面动态磨损模型；通过研究轮齿啮合刚度、齿侧间隙随磨损量的动态变化规律，建立含有磨损故障的齿轮传动系统非线性动力学模型；在理论研究的基础上，构建实验平台，通过实验验证理论分析和计算结果的正确性。预期通过本课题的研究，揭示齿面动态磨损机理，从抑制齿面磨损进程的角度，建立延长齿轮传动系统使用寿命、提高系统可靠性的方法；深入了解齿面磨损和齿轮传动系统非线性动态特性之间存在的相互影响，寻求降低齿轮传动系统振动与噪声的途径。

齿面磨损是齿轮传动系统最主要的失效形式之一，传动系统的精度、负载能力和使用寿命在齿面经历长时间磨损后都会极大降低。本课题首先引入了齿面粗糙度，考虑了润滑油粘度、密度随压力、温度的变化、接触弹性变形，建立了齿面润滑的雷诺方程，研究了轮齿在啮合过程中的弹流动润滑现象。建立了包含齿侧间隙和时变啮合刚度的齿轮传动系统运动学方程，计算获得了系统轮齿啮合时载荷沿啮合线的动态变化规律。考虑载荷、磨损系数的动态变化规律，建立了离散化的齿面动态磨损模型并对其进行了特定参数下的仿真计算。研究发现主从动齿轮齿面累积磨损量沿渐开线齿廓呈现非均匀分布，齿面累积磨损量随不同系统参数变化均存在变化趋势明显的敏感区域。建立含有齿侧间隙、内部误差激励和含磨损故障的时变啮合刚度的三自由度齿轮传动系统平移-扭转耦合动力学方程。通过齿侧间隙、内部误差激励幅值和轮齿啮合刚度在系统非线性动力学模型中引入轻微磨损和显著磨损故障特征。通过研究发现了由于齿面磨损诱发的丰富非线性现象，包括倍周期分岔途径、阵发性途径和多种拟周期通过锁相进入混沌的现象。考虑轮齿啮合过程中相对滑动产生的摩擦力对齿面弹流动润滑特性和系统非线性动力学特性的影响。本课题在路径坐标系下，建立了含有库伦摩擦力和恒定外力单结点系统的动力学模型并获得了系统响应的精确解。计算时间步长足够小而确保结点受到的外部载荷没有明显变化的情况下，利用本课题研究所获得的二维库伦摩擦力系统的精确解可以获取粗糙齿面啮合过程中的动态摩擦力和对应的摩擦热的变化规律，从而进一步深入研究齿面动态磨损特性。建立了相应的传动系统动力学试验台，对具有磨损故障特征的齿轮传动系统进行了动态响应测试。首先测试了服役运行初期基本未出现磨损的齿轮传动系统的动态响应特性；随后对测试齿轮传动系统进行疲劳试验，使得齿面出现一定量累积磨损，然后对出现齿面磨损故障的齿轮传动系统进行了动态响应测试。通过时域和频域研究齿面磨损对齿轮传动系统动力学特性的影响。在理论与试验研究的基础上，从抑制齿面磨损进程、降低齿轮传动系统振动的角度，提出了相应的延长齿轮传动系统使用寿命方法和设计准则。