● 摘要
随着现代工业与科学技术的高速发展,机械产品与设备也日益向高速、精密与轻量化的方向发展,良好的结构动态性能要求成为使设备能安全可靠工作的重要保障。用先进的动态分析与设计取代传统的类比、静态设计已成为机械结构设计的必然发展趋势。 由于齿轮传动具有传动速度平稳、恒功率传动的优点,在国防、民用产品领域中均大量采用齿轮传动。齿轮系统的动力学行为与工作性能对整部设备有重要影响,近百年来齿轮系统动力学问题一直受到人们的广泛关注。随着齿轮传动的高负载及高速化趋势的增强, 齿轮系统的动态设计方法研究也成为了一个重要的热点研究课题。传统的齿轮系统设计方法中存在的主要问题是静态问题考虑多,动态性能分析不够,很少进行动态设计,导致所设计齿轮系统存在平稳性差、噪声大以及可靠性低、使用寿命短的缺陷。本文基于机械系统动力学理论、模态及动力响应有限元分析方法以及实验模态测试技术,对齿轮系统的动态设计方法进行了研究,提出了一套在设计阶段对齿轮系统进行动力学建模,对其进行动态特性、响应分析以及结构动力修改的具有实用价值的方法。论文的主要研究工作如下: ⑴在将齿轮系统划分为传动系统与箱体两个子系统的基础上,研究了实验模态分析和有限元分析相结合识别齿轮系统轴承支承结合部动力学参数的方法。⑵应用集中参数法建立了一种二级斜齿轮传动系统的弯-扭-轴-摆耦合动力学模型,模型中考虑了时变啮合刚度、齿侧间隙、传动误差及啮合冲击等非线性因素。推导了该动力学模型的微分方程和无量纲统一微分方程。采用5阶变步长自适应 数值积分法对推导出的二级斜齿轮传动系统无量纲统一微分方程进行了求解,计算了系统的非线性动力响应。⑶建立了箱体动态响应分析的有限元计算模型。在二级斜齿轮传动系统动力学响应计算及轴承支承结合部动力学参数识别的基础上,计算了箱体的动态响应。对实际减速器进行了实验研究,得到了箱体表面的振动加速度分布,并与有限元计算结果进行了比较。⑷定义了一种轮齿啮合刚度矩阵,推导了斜齿轮传动系统的轮齿啮合刚度矩阵。应用有限元法建立了考虑轮齿啮合力的斜齿轮传动系统弯-扭-轴-摆耦合振动模型。计算了斜齿轮传动系统的耦合振动固有模态,并对轮齿啮合刚度及轴承支承刚度对系统动态特性的影响作了分析。⑸对基于有限元的灵敏度分析及结构动力修改进行了研究,探讨了一种可行的改善齿轮传动系统动态特性的灵敏度计算与结构动力修改方法。 所研究的斜齿轮系统动态分析与设计方法思路具有一定普遍意义,在建立不同齿轮系统动力学模型的基础上可以应用于其它类型齿轮系统的动态设计。