基于动力分析的高速重载行星齿轮传动轻量化设计

密切结合军工行业对传动装置高速、重载、低振动、高可靠性及轻量化的需求，以舰船后传动系统中的双斜齿行星齿轮减速器为典型，研究采用薄缘齿轮实现高速重载行星传动装置轻量化的设计方法。通过建立全面考虑齿轮轮体柔性、啮合刚度、支承刚度、制造误差等诸多影响因素的精细化行星传动动力学模型，揭示传动系统设计参数与其固有特性、动态响应及传动强度之间的映射关系，进而掌握该类传动轻量化所涉及的结构设计、动力分析、减振降噪、误差补偿等关键技术，为设计和制造具有优异动态特性的轻量化高速重载行星传动装置奠定理论基础。

提出了不同安装工况下内齿圈边界条件的数值模拟方法，建立了高速重载行星传动的参数化三维有限元模型，分析了轮系设计参数对啮合特性的影响，揭示了内齿圈柔性与齿轮疲劳寿命间的映射关系，并给出了内齿圈柔性的数学描述方法。采用子结构综合法建立了高速重载行星传动的刚柔耦合动力学模型，计入了齿轮轮体柔性、时变啮合刚度、构件支承刚度、制造及安装误差等诸多影响因素。分析了系统的固有特性，归纳出了含柔性内齿圈的直齿、斜齿和双斜齿行星传动的典型振动模式。运用复模态封闭解法快速求解了系统的运动微分方程，获得了系统的稳态动力学响应，并揭示出主要设计参数对系统动力学性能的影响规律。探讨了几种常见的高速重载行星传动抑振降噪措施的效用，澄清了不同工况下中心构件浮动的均载效果，明确了行星轮偏心误差和相位调谐的实施条件，提出了以动态传递误差波动量最小为目标函数、以齿轮安全为约束条件的行星轮系三维修形策略。设计并研制了2台减速器样机，经动力学对比实验，验证了刚柔耦合动力学模型的正确性，以及基于理论模型的抑振降噪措施的有效性。在上述研究基础上，凝练出高速重载行星传动的结构设计、动力分析、抑振降噪、误差补偿等关键技术，并提出了该类传动的轻量化设计方法，从而为设计和制造具有优异动态特性的传动装置奠定了理论基础。