1、齿轮传动系统故障模拟方法的研究【摘要】 齿轮传动由于具有承载能力大、传动精度高、传动功率恒定等特点,所以被广泛的应用于机械、汽车、航天航空等各个领域。但是由于齿轮系统本身的结构复杂、工作环境恶劣等因素的影响,使得齿轮传动系统往往很容易出现故障。其中有些故障会对生产造成很大的影响,甚至可能引发严重的安全事故,所以避免齿轮传动系统发生故障具有非常重要的意义。而在齿轮传动系统故障中,有高达60%的故障是由齿轮类故障引发的,因此齿轮故障的研究成为了一项十分重要的工作。在齿轮的各种失效形式中,齿根裂纹的存在往往会降低轮齿的啮合刚度,使轮齿齿廓偏离啮合位置,导致轮齿不能正确啮合,在故障轮齿入啮和脱啮时引起
2、的冲击载荷进一步增大,如果形成恶性循环,裂纹就会迅速扩展,最终导致断齿或其它事故的发生,所以掌握裂纹在系统运转过程中的动态响应,就显得尤为重要了。利用计算机对齿轮传动系统进行动态仿真,既可以模拟其运行行为和工作状态,还可以证实该系统功能和性能的可用性及可靠性,从而降低设计成本,缩短开发周期,并提高产品的可靠性。因此,本文通过有限元分析和数值计算相结合的方法模拟了单级齿轮传动系统在有、无裂纹状态下系统的动态响应,主要完成了以下几方面的工作. 更多还原【Abstract】 Gear transmission is of the following characteristics, large ca
3、rrying capacity, high precision of transmission and constant power transmission etc., so be widely used in machinery, motor vehicle, aerospace and other fields to transmit motion and motive power. But because of its complicated structure and bad working environment factors, gear transmission system
4、is easy to be broken down. Some of the factors might cause great influence on production or even serious safety accident. So, it is of th. 更多还原 【关键词】 齿轮； 裂纹； 系统动力学模型； 扭转啮合刚度； 数值计算方法； 【Key words】 Gear； System dynamic model； Torsional mesh stiffness； Numerical calculation method； 摘要 3-5 ABSTRACT 5-6 第
5、一章 绪论 10-16 1.1 课题研究的背景和意义 10-11 1.1.1 课题研究的背景 10 1.1.2 课题研究的意义 10-11 1.2 齿轮传动系统动力学发展历程 11-13 1.3 齿轮系统动力学对齿轮故障行为研究的概况 13 1.4 本文研究的主要内容 13-14 1.5 课题项目来源 14-16 第二章 齿轮的失效分析 16-24 2.1 齿轮的失效类型 16-17 2.2 齿轮失效特征、原因及改进对策分析 17-21 2.2.1 齿面损耗 17-18 2.2.2 胶合 18 2.2.3 齿面疲劳 18-19 2.2.4 永久变形 19-20 2.2.5 轮齿折断 20-21
6、 2.2.6 裂纹 21 2.3 影响齿轮失效的主要因素 21-22 2.4 本章小结 22-24 第三章 齿轮的有限元分析 24-38 3.1 齿轮实体模型的建立 24-31 3.1.1 轮齿齿廓的实现 25-30 3.1.2 轮齿实体模型的生成 30-31 3.2 齿轮有限元模型的建立 31-34 3.2.1 对齿轮进行网格划分 31-32 3.2.2 整体齿轮模型的建立 32 3.2.3 齿轮的啮合装配 32-33 3.2.4 接触对的创建 33 3.2.5 载荷及边界条件的施加 33-34 3.3 含齿根裂纹齿轮模型的建立 34-35 3.4 有限元分析结果 35-37 3.5 本章小
7、结 37-38 第四章 齿轮传动系统的动力学模型及参数分析 38-56 4.1 齿轮传动系统的动力学模型 38-41 4.2 齿轮扭转啮合刚度的分析 41-46 4.2.1 啮合刚度定义 41-42 4.2.2 单齿啮合刚度的计算 42-43 4.2.3 双齿啮合刚度的计算 43-44 4.2.4 扭转啮合刚度的求解结果 44-46 4.3 运动方程中参数的确定 46-53 4.3.1 摩擦力的计算 46-49 4.3.2 摩擦力臂的计算 49-52 4.3.3 其它参数的确定 52-53 4.4 本章小结 53-56 第五章 动力学模型的求解及仿真结果的分析 56-68 5.1 动力学模型求
8、解算法的选择 56-57 5.2 动力学方程组的求解过程 57-61 5.2.1 MATLAB 求解常微分方程的一般步骤 57 5.2.2 解算微分方程的命令调用格式 57-58 5.2.3 高阶常微分方程的求解方法 58-59 5.2.4 动力学方程组的求解 59-61 5.3 动力学仿真结果及分析 61-66 5.3.1 无故障齿轮系统的动力学仿真结果 61-63 5.3.2 含齿根裂纹齿轮系统的动力学仿真结果 63-65 5.3.3 仿真结果分析 65-66 5.4 本章小结 66-68 第六章 模拟结果的试验验证 68-74 6.1 试验的设计 68-69 6.1.1 齿轮传动系统的试验台 68 6.1.2 加速度计的安装 68 6.1.3 齿根裂纹的物理模拟 68-69 6.2 实验数据的采集和存储 69-71 6.2.1 数据采集系统的组成 69-70 6.2.2 加速度计与集流环的连接 70-71 6.3 信号数据的回放与验证 71-73 6.4 本章小结 73-74 第七章 总结与展望 74-76 7.1 总结 74 7.2 展望 74-76 参考文献
