考虑齿面形貌特征的变厚齿轮动力学分析及修形方法研究
小倾角船用齿轮箱作为船舶推进系统的核心部件，通过渐开线变厚齿轮组成相交轴和交错轴齿轮传动，从而实现齿轮箱输入轴与输出轴之间存在一定的夹角，可用于满足特定效率和空间利用等方面的具体要求，常被广泛应用于滑行艇、游艇、快艇等高性能舰船的传动装置。目前交错轴变厚齿轮传动理论上为点接触，致使齿轮副存在承载能力低、齿面易磨损、使用寿命短等问题。此外，由于齿轮加工过程中存在重复装夹定位、刀具刃角磨损等引起的加工误差，致使齿轮加工表面存在一定的形貌特征。为此，论文考虑齿面形貌和齿面间时变摩擦力的共同作用，对空间交错轴变厚齿轮副的啮合特性与动态特性进行研究，并提出可以实现交错轴变厚齿轮啮合齿面线接触的齿面修形方法。目的提高交错轴变厚齿轮传动的承载能力，降低变厚齿轮传动的振动噪声，对交错轴变厚齿轮传动的工程应用具有重要的理论意义。 论文主要研究内容如下： （1）基于齿轮空间啮合原理，推导了渐开线变厚齿轮的齿面数学方程。通过将齿面三维离散点的法向方向叠加一系列具有随机高度且呈随机分布的表面微凸体，提出了一种适用于各向异性粗糙齿面形貌的分形表征方法。此外，开展了变厚齿轮齿面形貌测试试验，将本文提出的表征方法与测试试验结果进行了对比分析，验证了本文齿面形貌表征方法的准确性。 （2）考虑粗糙齿面椭球形微凸体离心率及交错轴变厚齿轮点接触的影响，建立了齿面真实接触面积、真实接触载荷和法向接触刚度的数学模型，并分析了齿面形貌特征、椭球形微凸体离心率和齿面接触系数对变厚齿轮承载能力和法向接触刚度的影响规律。 （3）通过切片思想对变厚齿轮轮齿进行离散化分析，并基于材料力学理论计算了变厚齿轮的接触刚度、弯曲刚度、剪切刚度、压缩刚度和基体刚度。在此基础上考虑粗糙齿面的形貌特征，提出了变厚齿轮时变啮合刚度的数值计算方法，并分析了变厚齿轮不同结构参数及齿面形貌参数对齿轮副时变啮合刚度的影响规律。 （4）考虑齿面形貌和接触齿面间时变摩擦力的共同作用，建立了交错轴变厚齿轮传动系统8自由度动力学模型，并基于四-五阶Runge-Kutta算法对所建立的动力学模型进行了数值求解，研究了齿面形貌在齿轮啮合过程中对传动系统动态特性的影响作用及其变化规律。 （5）针对交错轴变厚齿轮传动出现的偏载及应力集中现象，提出了变厚齿轮齿向偏心凹面修形方案，实现了交错轴变厚齿轮传动承载能力的有效提升。此外，结合小倾角船用齿轮箱的传动特点，提出了一种新型小倾角船用齿轮传动方案，有效降低产品加工制造难度。开展了交错轴变厚齿轮传动系统动态特性测试试验，测试了不同加工精度下交错轴变厚齿轮传动的动力学行为，验证了本文建立的交错轴变厚齿轮系统动力学模型的准确性。
变厚齿轮;齿面形貌;齿轮修形;齿轮箱;小倾角船
哈尔滨理工大学
博士
机械设计及理论
于广滨
2022
中文
TH132.41
2023-08-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）