考虑轴承缺陷的准双曲面齿轮传动系统耦合动态特性研究

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准双曲面齿轮适用于可偏置的大轴交角传动。相对于其他齿轮而言,它具有传动平稳、重合度大、承载能力高和噪声低等优点,是齿轮传动中最复杂的一种。其中轴承作为准双曲面齿轮传动系统的重要支承部件,其运行状态对系统传动精度、可靠性和寿命等性能有着重要影响。随着机械设备高速化、一体化的发展,轴承的工作环境变得更加恶劣,发生故障的概率更高。而作为故障失效的重要原因,轴承缺陷受到了国内外学者广泛关注。轴承缺陷会引起轴承异常振动,通过轴的振动传递,进一步影响到齿轮系统,恶化其动态特性并缩短使用寿命。因此,轴承缺陷对准双曲面齿轮系统振动特性的影响值得深入研究,这有利于工程师了解轴承缺陷诱发的系统动态响应特征和振动规律,提高齿轮系统的设计质量。本文建立了考虑轴承缺陷的准双曲面齿轮-轴-轴承耦合系统动力学模型,研究了轴承的滚子尺寸偏差、滚道表面波纹度与滚道表面剥落缺陷对齿轮系统动态特性的影响,揭示了轴承缺陷引起的齿轮系统振动特性,有助于提高齿轮系统的可靠性。论文主要研究内容如下:(1)基于准双曲面齿轮的加工原理和啮合原理,建立齿面数学模型,通过有限元分析软件生成准静态齿面加载接触模型。计算并分析了准双曲面齿轮的时变啮合点位置、时变啮合力作用方向、时变传递误差以及时变啮合刚度,为研究准双曲面齿轮系统动态特性提供输入参数。结果表明:等效啮合点沿齿长方向的变化量大于沿齿高方向的变化量,啮合刚度和传递误差的一阶谐波占主导地位。(2)利用有限单元法,将齿轮、轴和轴承的集中参数模型进行耦合,构建了准双曲面齿轮-轴-轴承耦合系统动力学模型,该模型综合考虑了非线性轴承力、柔性轴、时变传递误差和时变啮合刚度因素。在此模型的基础上修改变形,分别建立了考虑滚子尺寸偏差动力学模型、考虑滚道表面波纹度动力学模型以及考虑滚道表面剥落缺陷动力学模型。(3)研究了在无缺陷条件下一系列动力学参数对系统动态啮合力、动态传递误差和动态轴承力的影响,包括转速、轴承径向间隙以及啮合刚度和传递误差的谐波阶次。结果表明:在转速300~12000r/min范围,离小轮最近的2号轴承的振动最剧烈。随着轴承径向间隙由0μm逐步增加至60μm,系统的动态啮合力峰峰值分别增加7.38%、10.41%、17.35%和22.74%,系统的动态传递误差峰峰值分别增加5.40%、7.61%、12.56%和16.48%。随着啮合刚度和传递误差激励的谐波阶次从1阶增加至3阶,动态传递误差、动态啮合力和动态轴承力的峰峰值增加。(4)分析了轴承的滚子尺寸偏差、滚道表面波纹度与滚道表面剥落缺陷对准双曲面齿轮-轴-轴承耦合系统动态特性的影响。分别探究了轴承的滚子尺寸偏差值、尺寸偏差滚子个数、尺寸偏差滚子的分布位置、波纹度数目、波纹度幅值以及剥落缺陷宽度对振动特性的影响。结果表明:滚子尺寸偏差绝对值由0增加至6,尺寸偏差滚子个数从0个增加至3个,以及尺寸偏差滚子之间的角度由120°减小至24°都会增加齿轮径向位移的保持架旋转频率对应的幅值。波纹度数目和波纹度幅值对动态传递误差和动态啮合力有明显影响,包括改变特征频率和振动幅值。当波纹度数目为15、30和45,即当波纹数等于滚子个数或其倍数时,动态传递误差和动态啮合力响应达到峰值。动态传递误差和动态啮合力因滚道表面剥落缺陷激励而出现高频成分,且其均方根值和峰峰值随剥落缺陷的宽度增加而增加。
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