[發明專利]一種齒輪副非線性動力學計算方法

有效

• 申請號: 201711423727.0
• 申請日: 2017-12-25
• 公開（公告）號: CN108052760B
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發明（設計）人: 常樂浩;賀朝霞;蘇進展;張富強;雷震
• 申請（專利權）人: 長安大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F119/14
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 張弘

本發明公開了一種齒輪副非線性動力學計算方法。考慮振動位移對齒輪副實際運轉過程中齒面動態接觸狀況的反饋作用，計算了動態嚙合剛度及動態綜合嚙合誤差非線性激勵。將齒輪副動態接觸分析與系統動力學求解過程相結合，實現系統“激勵—響應—反饋”相閉環的計算流程。該方法能獲取由齒面誤差和修形等參數導致的齒輪副非線性動力學現象，能更真實地模擬系統在動態接觸過程中的動力學行為，提高動力學計算準確度。

技術領域

本發明屬于動力學技術領域，涉及一種齒輪副非線性動力學建模方法。

背景技術

齒輪系統動力學問題一直是工業界和學術界研究的熱點問題。齒輪副在實際運轉過程中，受到時變嚙合剛度、齒輪誤差、修形、齒側間隙和嚙合沖擊等因素的影響，表現出復雜的動力學響應。研究不同情況下齒輪副振動、沖擊和噪聲的基本規律，對設計低振動噪聲和高可靠性的齒輪傳動系統有著重要的指導意義。

齒輪時變嚙合剛度和齒面誤差是引起系統振動的兩類重要激勵源。以往研究常常將嚙合剛度和齒輪誤差激勵分開考慮，但實際上這兩類激勵之間是相互影響的。一方面，受齒面誤差、安裝誤差和支撐系統變形的影響，齒面可能出現部分接觸現象，從而影響綜合變形和嚙合剛度的大小。而另一方面，由于重合度和嚙合輪齒間變形的共同影響，誤差的實際作用量應小于原始齒面誤差幅值。采用無誤差齒輪嚙合剛度并假設綜合嚙合誤差幅值代入動力學計算，勢必會影響計算精度。

目前建立的齒輪副接觸分析方法都是基于靜態嚙合狀態的，尚無法考慮齒輪振動位移的反饋作用。在齒輪實際運轉時，變化的振動位移會使齒面實際接觸狀態與靜態時產生差異，影響實際動態嚙合剛度和動態綜合嚙合誤差等振動激勵，進一步改變齒輪副動態響應。當振動位移較大時，齒面在振動時可能由部分脫離接觸轉變為完全脫離接觸，產生強烈的非線性響應。目前國內外關于系統非線性動力學的研究多集中于由齒側間隙引起的，而已有試驗研究表明，無側隙齒輪副也可能出現齒面脫嚙、響應幅值跳躍、混沌及分岔等強非線性動力學現象。在大載荷條件試驗時出現的輪齒完全脫嚙現象，與人們的常規認識甚至產生了沖突。這些由非齒側間隙因素引起的非線性動力學響應，必須建立更為真實的考慮齒輪實際動態接觸狀態的動力學模型才能夠進行準確的獲取。

發明內容

本發明的目的在于考慮齒輪副動態響應對振動激勵的反饋影響，將齒輪副接觸分析與系統動力學求解過程相結合，建立一種齒輪副非線性動力學分析方法，以更加真實模擬齒輪副動態接觸過程從而研究系統非線性振動特性。

為達到上述目的，本發明的具體技術方案為：

一種齒輪副非線性動力學計算方法，包括以下步驟：

步驟1：建立考慮齒輪基本參數和齒面制造誤差的齒輪副動態接觸分析模型，計算動態嚙合剛度和動態綜合嚙合誤差；

步驟2：利用集中質量法建立齒輪副彎曲-扭轉-軸向耦合動力學模型；

步驟3：將齒輪副動態接觸分析與動力學方程求解過程相結合，采用Newmark積分嵌套弦截法求解齒輪副動態接觸問題，實現“激勵—響應—反饋”相閉環的分析流程。

步驟1的實現過程為：

(1.1)計算無誤差齒輪的嚙合剛度均值，同時計算各嚙合位置理論接觸線長度，得到單位接觸線長度上的嚙合剛度；

(1.2)將齒面制造誤差轉換至齒面法向進行度量并進行疊加，得到各接觸點初始法向間隙；

(1.3)判斷各點實際的接觸狀態，得到實際接觸線長度，由第(1.1)步的單位接觸線長度剛度值，計算實際的動態嚙合剛度和動態綜合嚙合誤差。

步驟2的實現過程為：

采用振動理論中的集中質量法，將主、從動輪嚙合視為包含彎曲-扭轉-軸向多自由度的質量-彈簧系統，計入齒輪嚙合剛度、綜合嚙合誤差和軸承剛度的因素，采用牛頓第二定律建立系統運動微分方程。