齿轮传动系统因具有传动效率高、设计结构紧凑、工作可靠和运行平稳等特点,被广泛应用于机械传动领域,是风力发电机至关重要的部分。然而,有关统计表明,由传动链故障引起的停机时间约占整个风力发电机组故障停机总时长的20%。其中,因齿轮失效引起的齿轮箱故障占比高达60%,疲劳折断则为最主要的失效形式。为提高齿轮可靠性和使用寿命,对齿轮齿根裂纹扩展特性进行分析十分必要。研究分析裂纹扩展状态与齿轮动力学特性的关系,对实现齿轮箱的状态监控及早期诊断具有重要的工程意义。本文以渐开线圆柱齿轮为研究对象,分析健康齿轮副的应力状况,确定初始裂纹起裂点。在线弹性断裂力学框架下,基于有限元分析软件ABAQUS模拟出齿根裂纹扩展路径。同时以振动理论为依托并结合齿轮动力学基础知识,研究齿根裂纹对齿轮副时变啮合刚度的影响。对比分析理论数值计算结果和有限元仿真结果,研究齿轮齿根裂纹扩展行为对齿轮副时变啮合刚度的影响。具体研究内容如下:首先,推导齿轮齿廓形状和齿根曲线的参数方程,计算渐开线以及齿根过渡曲线上各点的坐标,编写程序代码,创建渐开线圆柱齿轮有限元模型。利用该模型,在ABAQUS中仿真后得到一对健康齿轮副在啮合状态下齿根处的应力状况。在结果中查找并确定小动轮齿根处最大主应力所在的节点位置,将其作为疲劳裂纹的起裂点。其次,将上述齿轮有限元模型分割成裂纹块与非裂纹块,在裂纹块中最大主应力节点位置处预制初始裂纹。重生裂纹块网格,采取MPC绑定裂纹块与非裂纹块单元后进行再分析。在结果文件中提取应力强度因子,以最大周向应力准则为判据计算裂纹扩展角度。在假定扩展量后重新定义裂纹,更新裂纹块网格,重复上述过程,模拟出扩展路径,根据Paris公式计算剩余寿命。探讨初始裂纹长度和裂纹角度以及外部载荷对裂纹扩展路径和齿轮剩余寿命的影响。然后,根据能量法和齿轮啮合刚度的定义,对健康齿轮副时变啮合刚度分别采用MATLAB理论数值法求解和有限元法计算。对比计算结果,验证有限元分析法的精确性,为考虑裂纹扩展路径时计算齿轮副啮合刚度提供依据。最后,考虑齿根裂纹长度对时变啮合刚度的影响,推导不同裂纹故障程度对齿轮啮合刚度的影响。采用有限元法分析齿根裂纹扩展行为对齿轮副时变啮合刚度的影响。