行星式多级端面齿轮变速装置(Multispeed Face Gears Transmission Device,简称MFGTD)是一种将端面齿轮引入到多级行星传动系统中的新型传动装置,既能实现多种传动比变化,灵活地扩展单级端面齿轮的速比区域;又能提效节能、精简传动级数、优化支承结构、提高承载能力。本文以端面齿轮双鼓构型设计的关键理论问题作为切入点,以削除啮合干涉、提高传动平稳性和承载能力为目标,解决双鼓齿面构型优化、高精度加工与承载性能等关键技术问题。通过改变啮合齿数、压力角、输入转速和负载等条件对其啮合特性、接触强度、动态特性进行研究,优化确立双鼓齿面的几何形状和边界条件。通过样机的制造和齿面精度检测,确立具备高承载能力的双鼓齿面形貌特征参数。在此基础上,以提升行星式MFGTD的传动性能和变速平顺性为目标,围绕行星齿轮的均载分流特性和传动效率开展研究,利用数值模拟方法建立了传动误差和传动效率求解模型,详细分析了各因素对其运动特性的影响。论文主要的研究包括:(1)建立双鼓构型设计及参数敏感度分析模型。由于齿轮无法避免设计和制造误差、受载变形以及实际啮合过程中产生振动和偏载等诸多因数的影响。并且随着转速变大或负载增加,轮齿的机械变形或热变形显著增大,因此会出现啮合冲击,速度波动和载荷突变。鉴于鼓形齿面形貌参数与动态响应之间复杂的非线性特征,需构建鼓形量与传递误差的函数关系,对齿轮传递误差的分布规律进行研究,确定端面齿轮双鼓齿面形貌关系、敏感度目标及其影响参数。(2)建立双鼓端面齿轮的啮合接触关系及动力学模型。由于需要匹配工况的变化,在传动过程中接触齿面始终受到周期性的交变应力作用,端面齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度会影响齿轮的可靠性。此外,在变速切换中轮齿进入与退出时产生的冲击以及载荷变化所产生的接触变形也会影响齿轮的传动精度,因此需要建立端面齿轮双鼓形貌接触刚度模型,在恒定输入转速条件下,对双鼓端面齿轮在自由空转及给定负载条件下的啮合轨迹和接触面积进行计算。研究建立双鼓齿轮接触的单级端面齿轮副的动力学模型,分析时变啮合刚度、啮合阻尼、综合传动误差和相应的动力学规律。(3)开展双鼓齿面精度及加工技术研究。以改善齿面载荷分布和减缓齿面磨损为目标,分析负载工况和磨损循环次数对齿面磨损量的影响。在加工方法上应选用合适的刀具、节距、刀具轨迹、主轴转角、进给速度、背吃刀量。在加工工艺上应采取合理措施提高端面齿轮齿面性能,进而提高使用寿命。(4)分析端面齿轮双鼓构型的承载接触极限及动态特性。建立基于静态接触强度模型(TCA)、动载接触强度模型(LTCA)和变速级间冲击强度模型(VSII)的理论计算方法。通过变换鼓形量条件,进行瞬态负载接触特性、边缘接触特性和应力应变特性研究。通过提取齿面误差进行鼓形齿间冲击模型的研究,对它的疲劳强度及冲击载荷进行计算和校核,并分析各种失效形式。建立基于齿轮啮合和不平衡效应的多自由度扭转振动模型,分析刚度、误差和啮合冲击等动态激励对多级端面齿轮动力学特性的影响。(5)进行行星式MFGTD传动性能研究。结合MFGTD的传动原理及变速机理,推导功率流对传动效率的影响方程,获取各构件间的功率分配关系,分析功率流各流向的静、动力学均载特性。利用数值模拟和有限元方法建立了传动误差对比模型,分析关键参数及多种激励对传动误差的影响规律,为提高系统的传动性能提供理论参考。