当斜齿轮副产生裂纹时,会影响齿轮副的啮合刚度。为了获得更准确的裂纹斜齿轮副的啮合刚度,提出一种改进的裂纹斜齿轮啮合刚度计算模型,综合考虑轮齿刚度、齿轮基础刚度在横向和轴向的影响,研究了齿顶扩展裂纹和端面扩展裂纹两种典型裂纹工况下的齿轮系统啮合刚度,并将啮合刚度解析计算结果与有限元模拟结果进行了对比。结果表明啮合刚度的降低程度主要与裂纹区域有关,裂纹区域越大,啮合刚度降低越大;在裂缝长度和深度相同的情况下,端面扩展裂纹对啮合刚度的影响比顶部扩展裂纹更显著。仿真结果与计算结果吻合较好,验证了所提方法的准确性和有效性。

齿轮传递误差是衡量齿轮副动态性能的重要指标,齿轮时变啮合刚度对周期性变化的传递误差有重要的影响,二者是齿轮副重要的内部激励。为充分揭示两者的内在联系,同时考虑轮齿修形工艺对传递误差的影响,准确给出了齿顶修形量对齿轮啮合区的影响区间模型和齿向修形模型,建立了考虑齿轮修形因素的基于时变啮合刚度的齿轮传递误差计算模型。将传递误差的理论模型与试验结果对比,得到了良好的吻合效果,验证了传递误差模型的准确性。

根据刚度定义分析出变形量与刚度的线性关系,从啮合刚度的角度出发计算牵引齿轮的变形量,分别总结出以石川公式为基础的直齿轮啮合刚度求解方法以及以局部到整体或者傅里叶级数拟合为基础的斜齿轮啮合刚度求解方法。以SS8-Ⅱ型机车牵引齿轮为例通过分段法求解出时变啮合刚度、齿间载荷分配量以及最终所需的变形量,计算结果表明齿间载荷分配与已有根据经验公式及大量实验数据所得的曲线图大致一致,也表明这种方法对机车牵引齿轮的变形量的计算具有非常好的效果,为后续的牵引齿轮齿廓修形打下重要的基础,也对研究机车牵引齿轮传动平稳性具有重要的理论现实意义。

当齿轮产生点蚀故障时,其时变啮合刚度变化导致的振动响应特征是实现点蚀故障诊断的重要依据,而准确的齿轮几何模型对于齿轮时变啮合刚度的计算精度具有重大意义。推导了内、外啮合齿轮的齿廓方程,提出了基于全齿廓的行星齿轮点蚀故障时变啮合刚度计算模型,有效解决了简化模型中需要齿数判断和精度较差的问题,提高了行星齿轮时变啮合刚度计算精度,为行星齿轮点蚀故障的动力学建模、故障机理分析及疲劳寿命分析奠定了理论基础。

作为机械装备中的关键传动机构,渐开线直齿轮在啮合传动过程中,受极端工况影响,轮齿表面极易引发剥落缺陷,改变齿轮副啮合刚度,严重影响其工作性能和传动效率。针对轮齿表面剥落形貌演变过程中的齿轮副啮合刚度,以拓展后边缘线与原矩形剥落边缘线夹角描述剥落故障演变,结合势能法构建了含剥落故障齿轮副的啮合刚度计算模型。结果表明,当齿轮副发生齿面剥落时,会使剥落区域参与的啮合区间啮合刚度减小,并且随着剥落参数的增大,齿轮啮合刚度减小趋势增大;当剥落区域沿齿轮副轴向中心面不对称时,齿轮易发生扭转变形而产生扭转刚度;同时,由于摩擦力存在,剥落区域边缘会进一步拓展,使剥落区域的宽度增大,导致齿轮副时变啮合刚度曲线变化的区间范围增大。

针对直齿锥齿轮啮合刚度的计算问题,将其齿形转换成齿宽中点处的当量直齿圆柱齿形,再把当量齿轮的轮齿简化为齿根圆上的悬臂梁,通过能量法计算分析了单齿啮合刚度;基于位移容差的原理,进一步提出了齿轮时变啮合刚度计算模型;将其与有限元计算结果对比,并分析误差来源,完成了计算方法的验证。文中提出的计算方法不仅进一步丰富和发展了齿轮刚度的计算理论,对齿轮动力学的研究也具有重要意义。

提出了一种基于计算机仿真的解析法,用于量化齿轮副在不同齿轮故障情况下的时变啮合刚度。齿轮故障在影响齿轮副传动的同时往往也伴随着刚度的降低,时变啮合刚度是状态监测和啮合齿轮副动态特性描述的一项重要参数,势能法是计算时变啮合刚度最常用的分析方法之一。采用势能法研究了含裂纹齿轮、断齿和齿面剥落等3种故障情况对于齿轮啮合刚度的影响。结果表明,由于齿轮故障的存在,导致了时变啮合刚度的降低,进而影响了直齿轮副的振动响应。

中国工业软件的发展相比发达国家还比较落后,特别是齿轮传动设计分析类软件。随着工业互联网和工业APP的发展,中国工业软件的发展将迎来一个高潮。齿轮的啮合刚度和承载接触分析(LTCA)对于齿轮传动系统动力学分析至关重要,为此,基于SYSWARE.IDE工业互联网平台,应用Ease-off差齿面拓扑进行齿面啮合信息解析,开发了圆柱齿轮承载接触分析工业APP。通过算例输出了拓扑修形梯度图、接触线瀑布图、传动误差曲线、时变啮合刚度、承载传动误差变化曲线、齿面载荷分布状况、载荷齿间分担比等齿面信息。

时变啮合刚度(TVMS)是齿轮系统动力学研究中的重要参数变量之一,准确地模拟计算TVMS,对分析齿轮传动系统的振动、噪声等相关动力学性能响应指标至关重要。根据渐开线齿轮的啮合运动方程和几何位置关系,提出一种基于几何学和势能法作用的直齿轮副TVMS精确建模方法;实时、有效地分析标准渐开线齿廓的啮合极限边界条件,并结合势能法构建TVMS由物理模型向数学模型转变的计算分析模型;通过数值计算法精确地计算直齿轮副的TVMS,并进行了有限元验证及举例应用。研究表明,在满足齿轮设计承载容许范围内,应合理选取齿宽和轴径尺寸,且可通过两者进行TVMS的小幅度调整而实现刚度优化作用和提高转子系统抗挠度性能等,为后期进行齿轮系统动力学计算作基础性应用研究。

针对多级斜齿轮动力学研究中的时变啮合刚度准确计算与其波动值定量分析等现实问题,以某电动汽车用减速器两级斜齿轮为研究对象,基于势能法计算不同螺旋角β下各级齿轮副的时变啮合刚度。首次提出由螺旋角等齿轮参数决定的参数τ,定量分析表明,当τ值越小时,时变啮合刚度波动值ΔK越小。建立包含12自由度的两级斜齿轮系统集参模型,研究不同螺旋角下系统的动态特性。结果表明,当β为15°时,系统各项动态性能均较好,此时各级齿轮副的τ和ΔK均较小,验证了通过参数τ准确预估ΔK进而预判齿轮系统动态性能的可行性与准确性。