题目：齿轮传动系统动态啮合特性接触有限元分析与应用研究

齿轮传动系统作为应用最为广泛的动力和运动传递装置，其动力学行为和工作性能对整个设备有着非常重要的影响。随着现代工业的不断发展，齿轮传动系统正朝着高速、重载、低振动、低噪声、高精度、高可靠性方向发展，使得齿轮传动系统的动态特性分析及振动噪声控制问题越来越受到重视，而现有分析方法却难以满足现代工业对高品质齿轮传动系统动态分析与设计的需求。因此，开展齿轮传动系统动态特性分析方法及振动抑制方法的研究，对于进行齿轮传动系统动态特性分析与振动机理研究，以及高品质齿轮传动系统的设计都具有重要的意义。齿轮传动系统的动态特性分析与振动机理研究作为齿轮传动系统振动问题的主要研究内容而倍受重视，其动态特性分析方法更是一直以来研究的焦点。因此，本文首先在归纳总结现有研究进展与不足的基础上，基于弹性接触动力学基本理论及有限元分析方法，以高保真啮合齿轮副有限元分析模型为研究对象，结合齿轮副连续啮合过程中典型啮合状态特征分析，提出了一种齿轮副连续弹性啮合过程动态特性的高保真模拟技术，详细介绍了该方法的有限元分析实现过程，并研究了不同分析参数对于计算结果的影响规律。该方法通过高效的接触算法和数值积分方法模拟齿轮副的连续弹性啮合过程，无需对分析模型及计算过程进行额外的简化和假设，可以高保真地模拟齿轮副连续弹性啮合过程的动力学特性，可为齿轮传动系统的动态特性分析以及动态设计提供有效的分析工具。渐开线齿轮副齿廓修形设计作为有效降低齿轮副啮合过程动态激励的方法，一直以来都是高速重载齿轮传动系统减振降噪设计的重要方法之一。因此，本文将从齿廓修形设计方法和修形设计减振效果仿真评估分析两个方面进行深入的研究。首先，基于齿轮副静态接触有限元分析，直接以齿轮副啮合过程中齿对交替啮合位置的综合受载弹性变形量作为最大齿廓修形量，提出了一种渐开线齿轮副精确齿廓修形设计方法，分别进行了渐开线直齿轮副和辅机传动系统典型斜齿轮副的齿廓修形设计，并得到了相应的齿廓修形设计方案。然后，基于本文提出的齿轮副连续弹性啮合过程动态特性的高保真模拟技术，结合齿廓修形设计方案在齿轮副有限元分析模型中的实现方法，在设计阶段评估分析了齿廓修形设计方案的减振效果及其随载荷条件的变化规律。仿真分析表明：齿廓修形设计可以有效改善齿轮副在低速工况下的啮合状态，明显降低齿轮副高速工况下的动态传递误差和动态接触力。在前文确定的辅机传动系统典型斜齿轮副齿廓修形设计方案的基础上，设计并建立了一套辅机传动系统典型斜齿轮副齿廓修形设计减振效果验证实验系统，并进行了多种转速及载荷工况下的台架对比实验。通过实验研究得到了齿廓修形设计的实际减振效果及其随齿轮副转速和载荷工况的变化规律。实验研究结果表明：本文提出的辅机传动系统典型斜齿轮副齿廓修形设计方案在设计工作条件下具有很好的减振降噪效果，且对转速和负载工况具有一定的适应性，同时也验证了本文所给出的齿廓修形设计减振效果仿真评估分析结果的有效性。以辅机典型多级斜齿轮传动系统为例，基于齿轮副连续弹性啮合过程动态特性高保真模拟技术，在高保真模拟齿轮传动系统实际啮合过程及工况载荷的条件下，深入全面分析了辅机典型多级斜齿轮传动系统在实际传动过程中的动态特性，并讨论了多级传动齿轮副之间动态啮合特性的相互影响，以及辅机传动系统中不同部位的振动响应特性。研究表明：多级齿轮传动系统中各级齿轮副间的相互影响不可忽视，齿轮副间的相互影响不仅表现在不同部位振动响应特性上，而且也反映在各级齿轮副连续啮合过程的具体接触状态中。最后，基于本文提出的齿轮副连续弹性啮合过程动态特性高保真模拟技术，在考虑齿轮副受载弹性变形的基础上，综合考虑滑动摩擦、齿侧间隙及齿根裂纹等因素的影响，研究了不同因素对于齿轮副动态啮合特性的影响规律。通过仿真分析，捕捉到了齿轮副啮合过程中由于滑动摩擦所引起的“节点冲击”现象，由于齿侧间隙的存在而引起的“单边冲击”、“双边冲击”和“啮合脱齿”等现象，以及它们之间随着转速和载荷工况变化的转换关系。此外，还得到了不同齿根裂纹长度对于齿轮副啮合过程动态传递误差和动态接触力的影响规律。