（机械制造及其自动化专业论文）粉末冶金温压斜齿轮传动性能研究.pdf

摘要 摘要 齿轮传动是最常用的机械传动形式，具有传递功率范围广、传动比准确、传 动效率高等优点；同时齿轮又是技术难度最大，加工精度最高的零件。目前对齿 轮传动要求是：高转速、大载荷、长寿命和低噪声，齿轮动态问题的研究作为齿 轮研究领域内的一个重要方面日益受到重视。材料是现代科学和工艺技术发展的 基础，粉末冶金技术不仅是一门材料制造技术，也是一门材料加工技术，它在国 民经济的许多领域有着广泛的应用。温压工艺作为粉末冶金零件致密化的最重大 进展，特别适合制造齿轮类零件，在汽车、机械工业行业中得到逐步的应用。 粉末冶金温压齿轮较之普通合金齿轮制造成本低、精度更高、耐磨性更好、 抗疲劳负荷冲击性更强、具有良好的耐高温和耐蚀性。但其动态性能研究，即在 提高传动效率、减少振动、降低噪声等方面，国内外的研究还很少。重庆大学机 械传动国家重点实验室是国内最好的研究机械传动性能的实验室，具有先进的研 究设备和科研力量。充分利用华南理工大学金属新材料中心的粉末冶金斜齿轮制 造能力和重庆大学机械传动国家重点实验室的实验技术条件，对粉末冶金温压斜 齿轮传动的动态性能进行研究，具有重大的理论意义和实用价值。 齿轮传动系统是一个包含多种结构( 零件) 的系统，在建立其动力学模型时 不能单单考虑啮合齿轮副，而对其他零件如轴、轴承等做过多简化和忽略。本文 建立了斜齿轮传动系统完整的动力学模型，利用c a e 有限元法建立粉末冶金温压 斜齿轮啮合传动精确的有限元模型；使用m s c n a s t r a n 进行分析计算，对传动系 统进行了模态分析、频率响应分析、瞬态响应分析，在设计阶段预估其动态响应， 为齿轮系统优化设计提供了依据。 小波变换方法是一种窗口大小固定但其形状可改变，时间窗和频率都可改变 时域局部化分析方法，具有对信号的自适应性，非常适合对采集信号进行滤波降 噪处理，提高信号分析精度和可靠性：进行了实验研究，自行设计制造试验用齿 轮减速器，研究开发了基于虚拟仪器l a b v i e w 的齿轮振动信号采集、分析处理软 硬件系统：进行了粉末冶金温压斜齿轮和3 8 c r m o a l 斜齿轮传动效率、磨损、振 动噪声对比实验，验证了有限元分析模型，试验结果表明：粉末冶金温压斜齿轮 综合动态性能比3 8 c r m o a i 斜齿轮更为优越，在军用、民用工业具有广阔的应用 前景。 关键词粉末冶金；温压技术；斜齿轮传动；有限元方法；试验研究 华南理工人学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eg e a rt r a n s m i s s i o ni st h em o s tf r e q u e n t l yu s e dm e c h a n i c a ld r i v em e t h o d ，w h i c h h a v et h ea d v a n t a g e so fw i d er a n g ep o w e r , a c c u r a t et r a n s m i s s i o nr a t i oa n dh i g h e f f i c i e n c y a tt h es a m et i m eg e a ri s m o s td i f f i c u l tt om a d ea n dw i t hs u p r e m e m a c h i n i n ga c c u r a c y a tp r e s e n t ，t h ed e m a n d sf o rg e a rt r a n s m i s s i o na r eh i g hr o t a t i o n a l s p e e d ，g r e a tl o a d ，m a c r o b i o t i cl i f ea n dl o wi nn o i s e t h er e s e a r c ho ft h ed y n a m i c p r o b l e mo ft h eg e a ri sp a i da t t e n t i o nt oa ni m p o r t a n tr e s p e c ti nt h er e s e a r c hf i e l do f g e a rd a yb yd a y t h em a t e r i a l i st h ef o u n d a t i o n so fm o d e r ns c i e n c ea n dc r a f t t e c h n i c a ld e v e l o p m e n t p o w d e r - m e t a l l u r g yi sn o to n l yam a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ， b u ta l s oap r o c e s st e c h n o l o g ya n di th a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni nal o to ff i e l d so f n a t i o n a le c o n o m y w a r mc o m p a c t i o np r o c e s si st h eg r e a t e s tp r o g r e s so fp o w d e r m e t a l l u r g yp a r t sp r e - p r e s s i n g ，e s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rm a k i n gt h eg e a rp a r ta n da p p l y p r o g r e s s i v e l yi nt h ea u t o m o b i l e ，m e c h a n i c a li n d u s t r yf i e l d s p o w d e r m e t a l l u r g yw a r mc o m p a c t i o ng e a rm a k ec o m p a r e dw i t ho r d i n a r ya l l o yg e a r w i t hl o w e rc o s t s ，h i g h e rp r e c i s i o n ，b e t t e rw e a r a b i l i t y i tc a nr e s i s ts t r o n g e rf a t i g u e a n di m p a c t ，h a v i n gg o o dh i g ht e m p e r a t u r ea n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e h o w e v e r , t h e r ei s s t i l lf e wd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hi nt h er e s e a r c ho f d y n a m i c p e r f o r m a n c e ，t h a ti st oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h et r a n s m i s s i o n ，r e d u c ev i b r a t i o n a n dn o i s e t h en a t i o n a lk e yl a b o r a t o r yo fm e c h a n i c a ld r i v eo fc h o n g q i n gu n i v e r s i t y i st h el a b o r a t o r yo ft h ed o m e s t i cb e s tr e s e a r c hm e c h a n i c a ld r i v e ，w h i c hh a sa d v a n c e d r e s e a r c he q u i p m e n t sa n ds c i e n t i f i cr e s e a r c ht e a m s i ti sw i t hg r e a tt h e o r ym e a n i n g a n da c t u a lu s i n gv a l u et om a k ef u l lu s eo ft h ep o w d e r - m e t a l l u r g yh e l i c a lg e a rm a n u f - a c t u r i n gc a p a b i l i t ya n de x p e r i m e n t a lt e c h n i q u ec o n d i t i o nc h o n g q i n gu n i v e r s i t yk e y l a b o r a t o r y t h eg e a rt r a n s m i s s i o ni sas y s t e mw h i c hi n c l u d e sm a n yk i n d so fs t r u c t u r e ，s ow h e n e s t a b l i s h i n gt h ed y n a m i c sm o d e l ，n o to n l yt h em e s h i n gg e a rp a i r ，b u ta l s ot h eo t h e r p a r t s ，s u c ha ss h a f t s ，b e a r i n g ss h o u l db ec o n s i d e r e d t h i st e x th a ss e tu pt h ei n t a c t d y n a m i c sm o d e lo fg e a rt r a n s m i s s i o na n d b u i l dt h ef i n i t ee l e m e n tm e s h i n gm o d e l f o rp o w d e rm e t a l l u r g yw a r mc o m p a c t i o nh e l i c a lg e a r m s c n a s t r a nh a sb e e nu s e dt o c a l c u l a t et h et r a n s m i s s i o ns y s t e mo nm o d a la n a l y s i s ，f r e q u e n c yr e s p o n da n a l y s i s ， t r a n s i e n tr e s p o n da n a l y s i s t h ed y n a m i cr e s p o n s ec a nb ee s t i m a t e da n dt h ed e s i g n o ft h eg e a rs y s t e mc a nb eo p t i m i z e dd u r i n gt h ec o u r s eo fd e s i g n i n g s m a l lw a v ev a r ym e t h o di sat i m el a n dl o c a l i z a t i o na n a l y t i c a lm e t h o dt h a tt h e w i n d o wr e g u l a ri ns i z eb u tt h e i rf o r m sc a nc h a n g e ，t i m ew i n d o wa n df r e q u e n c yc a n i l a b s t r a c t a l s oc h a n g e i th a sa d a p t i v i t yt ot h es i g n a la n dv e r ys u i t a b l ef o rr e d u c i n gw a v en o i s e ， s oa n a l y s i n gp r e c i s i o na n dd e p e n d a b i l i t yo ft h es i g n a li si m p r o v e d t h et e s t i n gg e a r d e c e l e r a t o rh a sb e e nd e s i g n e da n dm a d eb ym y s e l fa n dt h ev i b r a t i o ns i g n a lg a t h e r i n g ， a n a l y s i n g a n d p r o c e s s i n g s o f t w a r ea n dh a r d w a r e s y s t e m b a s e do nf i c t i t i o u s i n s t r u m e n tl a b v i e wh a sa l s ob e e nd e v e l o p e d t h ec o n t r a s t i n ge x p e r i m e n tb e t w e e n p o w d e r - m e t a l l u r g yw a r mc o m p a c t i o na n d3 8 c r m o a lg e a rh a sb e e nc a r r i e dt h r o u g h ， i n c l u d i n gt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y ，a b r a s i o na n dv i b r a t i o nn o i s et e s t t h er e s u l tv e r i f y t h e v a l i d i t y o ff i n i t ee l e m e n tm o d e la n di n d i c a t et h a tt h e g e n e r a ld y n a m i c p e r f o r m a n c eo fp o w d e r m e t a l l u r g yw a r mc o m p a c t i o ng e a ri ss u p e r i o rt h a nt h a to f 38 c r m o a lg e a r t h e r ei sw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t sf o rp o w d e r m e t a l l u r g yw a r m c o m p a c t i o ng e a ri nm i l i t a r y ，c i v i li n d u s t r y k e yw o r d s ：p o w d e rm e t a l l u r g y ，w a r mc o m p a c t i o nt e c h n i q u e ，h e l i c a lg e a r t r a n s m i s s i o n ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，e x p e r i m e n t sr e s e a r c h i i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：蹦渤、日期：扩哆r 年莎月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密压以 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：豫海水 别性各魄 州”、w h 日期：瓣，月弓日 日期：磁年善月，日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 机械产品和设备目益向高速、高效、精密、轻量化和自动化的方向发展，产 品结构日趋复杂，对其工作性能的要求越来越高，为使这些设备和产品安全可靠 的工作，其结构系统必须具有良好的静、动特性。为此，必须对机械产品和设备 进行动态性能研究，使其满足低振动低噪声的要求。 齿轮传动是最常用的机械传动，以其传递功率范围广、传动比准确、传动效 率高等优点，广泛应用于机械、电子、纺织、冶金、矿山、汽车、航空航天等领 域。同时齿轮又是技术难度最大，加工精度最高的零件。齿轮的技术水平在一定 程度上代表了机器的技术水平。随着生产和技术的不断发展，对齿轮传动提出了 越来越高的要求。为此必须对齿轮传动中各种失效现象、啮合原理、材质等，进 行深入、细致的研究，以适应这些要求。目前对齿轮传动要求是：高转速、大载 荷、长寿命和低噪声。这些都与齿轮传动中的动态问题有关，因此，齿轮动态问 题的研究作为齿轮研究领域内的一个重要方面日益受到重视，形成了齿轮动力学 ( 见表1 一1 ) 这一学科分支。 齿轮传动动态特性的研究大体上可分为两大部分：齿轮传动系统振动特性的 研究和齿轮结构振动的研究。齿轮传动动态性能的研究主要有三种：齿轮轮齿动态 性能的研究；齿轮本身( 包括齿轮轮体和齿轮轴) 动态性能的研究；齿轮转子系统 动态性能的研究【lj 。 材料是现代科学和工艺技术发展的基础，对先进的材料认识水平和掌握应用 能力，关系到国民经济产业的发展。新材料的发展为国民经济和国防建设创造了 重要的价值。粉末冶金不仅是一门材料制造技术，也是一门材料加工技术，它在 国民经济的许多领域有着广泛的应用。粉末冶金是解决高科技新材料的钥匙，在 新材料的发展中起着举足轻重的作用。特别是近几年，国外加强了对高密度、高 强度、高精度和复杂异性粉末冶金零件的开发，由此发展了一些高效、节能、无 浪费精密成形的粉末冶金新工艺。 温压是用一次压制、烧结工业制造高密度、高强度粉末冶金结构零件的一项 可行的新技术。该工艺是由h o e g a n a e s 公司在传统模压工艺基础上发展起来的。 该工艺最显著的技术优点在于其以较低的成本制造高强度、高精度的铁基粉末冶 金结构零件，为零部件在性能和成本之间找到一个理想的结合点。温压工艺作为 华南理工大学硕士学位论文 表1 1 齿轮系统动力学理论体系 t a b l e l 一1d y n a m i ct h e o r ys y s t e mo f g e a rs y s t e m 2 第一章绪论 粉末冶金零件致密化的最重大进展，现已被认为是九十年代以来，粉末冶金领域 最具创造性的一项技术进步。温压工艺特别适合制造齿轮类零件，在汽车、机械 工业行业中逐步得到应用 2 - 4 1 。 粉末冶金温压齿轮较之普通合金齿轮制造成本低、为少无切削加工、精度更 高、耐磨性更好、抗疲劳负荷冲击性更强、具有良好的耐高温和耐蚀性。但其动 态性能研究，即在提高传动效率、减少振动、降低噪声方面，国内外的研究还很 少。运用c a e 有限元分析方法建立粉末冶金温压斜齿轮系统实际工作状态下的动 力学分析模型并计算其在内外激励下的动态响应，通过试验验证分析模型的正确 性，进而修改设计参数改善其动态性能，这是一个全新的课题；经过不断地预测、 评价和修改使动态性能满足设计要求达到动态优化设计，有利于提高设计质量、缩 短设计周期、保证设计可靠性。 本课题通过对粉末冶金温压斜齿轮运转性能的研究，使用有限元计算机数值 模拟和试验分析相结合的方法，达到提高齿轮传动效率、耐磨性、降低噪声和振 动，提高运转平稳性，减轻齿轮重量、降低齿轮制造成本的目的：使研究更加真 实地反映齿轮工作状态，并能指导设计高性能的齿轮装置，增强粉末冶金温压斜齿 轮在市场的竞争力，使其具有广阔的应用前景。 1 2 齿轮传动系统动态激励的研究概况 动态激励是系统的输入，因此，研究齿轮啮合过程动态激励的基本特征，确 定动态激励的类型和性质，是齿轮传动系统动力学的首要问题。 由于齿轮传动系统的工作状态极为复杂，不仅载荷工况和动力装置多种多样， 会出现由原动机或负载方面引入的外部激励，而且会出现由时变的啮合刚度、齿 轮传递误差和啮入啮出冲击所引起的内部激励。齿轮传动系统的这两类动态激励 中，与一般机械系统主要不同之处在于它的内部激励。由于同时啮合的轮齿对数 以及啮合位置随时间周期变化、轮齿的受载弹性变形、齿轮和轮齿的误差等因素 引起啮合过程中的轮齿动态啮合力变化，即使外部激励为一稳定常值，齿轮传动 系统也会因为受到这种内部的动态激励而产生振动。齿轮传动系统的内部激励包 括时变剐度激励、时变误差激励和啮合冲击激励三种形式。在齿轮传动系统动力 学中，往往将载荷作用下时变的刚度激励和时变的误差激励归为位移型的激励， 这是一种参数激励；而将啮入啮出冲击激励视为冲击力型激励，作为间隙非线性 振动来研究j 。 1 2 1 齿轮传动系统的外部激励 除齿轮副啮合引起的内部激励外， 和传动系统产生动态激励，如原动机、 齿轮传动系统中其它因素也会对轮齿啮合 负载和系统中其它零部件( 如联轴器、键 3 华南理工大学硕士学位论文 联接、滚动轴承等) 的基本特性。这些激励统称为齿轮传动系统的外部激励。具 体来讲，产生外部激励的原因有：齿轮旋转质量不平衡、几何偏心、原动机( 电 动机或发动机) 和负载的扭矩波动以及系统中有关零部件的激励特性，如滚动轴 承的时变刚度、离合器的非线性等等。在这些因素中，质量不平衡产生的惯性力 和离心力将引起齿轮传动系统的转子耦合型问题，是一种动力耦合问题。对于几 何偏心，它引起啮合过程中的大周期误差，是以位移形式参与系统激励的。由于 质量不平衡和几何偏心主要是由加工误差引起的，因此往往将它们的影响与内部 激励一起研究【。 1 2 2 齿轮传动系统的刚度激励 一般来说，齿轮的啮合重合度大多不是整数，啮合过程中同时参与啮合的齿 对数随时间周期变化；此外，由于轮齿的弹性，随着轮齿啮合位置的变化，啮合 过程中轮齿对应的刚度也随之变化。这些因素都使得轮齿的啮合综合刚度是随时 间周期性变化的。这样，弹性的啮合轮齿就相当于沿啮合线方向的时变弹簧，相 应产生动态的轮齿啮合力。这种因啮合综合刚度的时变性产生动态啮合力并对齿 轮传动系统进行动态激励的现象，就是刚度激励。 时变刚度激励是齿轮啮合过程中的主要激励形式之一，也是影响齿轮传动系 统稳定性、引起参数自激振动的主要因素。从性质上讲，剐度激励使齿轮传动系 统的动力学方程中含有时变系数，因而齿轮传动系统动力学问题属于参数振动的 范畴，这实际上构成了齿轮传动系统动力学最主要的属性，形成其基本特点和性 质，决定了它的研究和求解方法。考虑这一因素，齿轮传动系统动力学问题属于 力学中的参数振动问题，其动力学模型是参数振动方程。研究参数振动问题，需 要确定轮齿的弹性变形和啮合综合刚度。 轮齿啮合综合刚度是指在整个啮合区中，参与啮合的各对轮齿的综合刚度效 应，主要与单齿的弹性变形、单对轮齿的综合弹性变形以及齿轮重合度有关，并 随着啮合位置的变化、啮合齿对数的变化等因素而发生周期性变化。在考察轮齿 ( 单齿及单对齿) 弹性变形时，综合考虑了弯曲变形、剪切变形和接触变形等， 因此可由轮齿的弹性变形来确定啮合刚度。 在齿轮传动系统工作过程中，啮合刚度随时间周期变化，形成了时变的刚度 激励。然而，在实际对齿轮传动系统的动力分析和计算中，由于理论水平和分析 计算的条件限制，往柱对齿轮传动系统的刚度激励作较大简化，这势必影响到最 后计算结果的精度，甚至会遗漏掉某些本质上的动态特征。在齿轮传动系统动力 学的研究中，人们很早就已经认识到啮合刚度的时变性，在建模时将其作为时变 参数进行处理，但在计算时则作了这样或那样的简化，主要有三种方式：一是取 其平均值、加权平均值或用实验的方法取得等效刚度，将啮合刚度定常化；二是 4 第一章绪论 将啮合刚度近似作为分段的常值进行处理，比如在单齿啮合区和双齿啮合区分别 将啮合剐度简化为两个常数，即把啮合刚度简化为矩形波变化规律；三是利用周 期函数和傅氏级数展开式，留常数项作为微分方程左端的刚度系数，而波动项置 于右端同外载荷一起形成系统的激励【l l 。 1 2 3 齿轮传动系统的误差激励 齿轮的加工和安装不可避兔地会存在误差，啮合过程中啮合齿廓将偏离理论 位置，形成了啮合过程中的一种位移型激励，即误差激励。一般来说，在齿轮传 动系统动力学中，从研究啮合误差的动态激励入手，往往将齿轮的误差分解成齿 距偏差和齿形偏差两种形式，前者指理想齿廓到过渡齿廓的偏移，后者指由过渡 齿廓到实际齿廓的偏移。齿轮啮合误差作为一种位移型的动态激励，直接定义为 实际齿廓表面对理想齿廓的偏移，称为轮齿的“啮合偏差”。 齿轮误差是影响齿轮振动和噪声的重要因素，它使齿轮啮合时的干涉增大， 破坏了齿轮传动的平衡性，产生振动和冲击。h o p i t z 【5 j 于1 9 6 9 年总结了以前许多 齿轮工作者的研究工作，用实验方法研究齿轮各种误差对齿轮噪声的影响，指出 齿轮的周节误差、安装误差、和齿形误差等对齿轮的振动和噪声有很大影响。 g n i e m a n n 和j b a e t h g e 6 】则考虑了齿轮回转误差对齿轮振动和噪声的影响，认为 即使齿轮上没有误差也会因变形而产生回转误差，从而影响振动和噪声的大小。 并且指出齿轮误差主要来源于两个方面的因素：一是由于轮齿受载后产生的弹性 变形，它产生于齿轮的运转过程，与齿轮的载荷及刚度有关；二是齿轮的几何误 差，它产生于齿轮的加工和安装过程，与齿轮的精度和加工、安装质量有关。前 者属于动态误差，后者属于静态误差。w i l l i a md m a r k 7 1 利用齿对局部刚度和刚度 加权的几何误差的二维f o u r i e r 变换，推导出静态传动误差各分量的f o u r i e r 级数 表达式，并把它分解为由于轮齿弹性变形所引入的分量和由于齿面几何误差分量。 再把齿面几何误差所引入的分量进一步分解为平均分量和任意分量。由此得出结 论：与轮齿啮合频率成整数倍的谐波成分，是由轮齿变形以及齿面几何误差的平 均分量引起的；而与齿轮旋转频率成整数倍的谐波成分，是由齿面几何误差的任 意分量引起的。 齿轮啮合误差通常是呈周期性变化的，当系统中其它误差对其的影响不可忽 视时，也可把其视为一隐含周期项的平稳随机误差信号，其中周期项的频率分量 与组成系统各传动件( 如轴) 误差的频率相对应。当只考虑各传动件的一次误差 时，直接与各传动件的转速相对应。这时，传动误差可用有限项谐波谱来表示。 如果传动误差用f o u r ie r 级数的谐波谱表示，可获得更多的误差信息，克服了有限 项谐波谱的缺陷 8 1 。 在齿轮传动系统的内部激励中，根据激励的性质通常将在载荷作用下的刚度 5 华南理工大学硕士学位论文 激励和齿轮的误差激励归为一类，其性质是位移型的激励。对于位移型的激励， 人们将载荷作用下的轮齿变形( 与刚度激励有关) 和齿轮误差两者组合起来，表 示为静传递误差。由于静传递误差主要是由受载轮齿弹性变形和齿轮制造误差引 起的，因此可以将静传递误差分解成两部分：首先是由轮齿受载弹性变形引起的 部分，这一部分静传递误差，仅与齿轮的设计参数有关，称为“设计传递误差”； 另一部分是由制造误差引起的，称为“制造传递误差”。这样，通过研究设计传递 误差和制造传递误差对齿轮啮合的动态激励，就可以了解齿轮啮合的刚度激励和 误差激励【。 1 2 4 齿轮传动系统的啮合冲击激励 在齿轮轮齿啮合过程中，由于轮齿误差和轮齿受载弹性变形，使轮齿产生“啮 合合成基节误差”，使一对轮齿在进入啮合时，其啮入点偏离啮合线上的理论啮入 点，引起啮入冲击；而在一对轮齿完成啮合过程退出啮合时，啮出点偏离啮合线 上的理论啮出点，产生啮出冲击。在齿轮传动系统动力学中，这种因“啮合合成基 节误差”引起的冲击称为啮合过程的啮合冲击，由啮合冲击产生的冲击力也是轮齿 啮合的动态激励源之一。啮合冲击激励与误差激励的区别在于，前者对系统的激 励是一种周期性的冲击力，后者对系统的激励则是一种周期性变化的位移激励。 一般说来，如果齿轮传递较大的载荷，轮齿的啮合表面始终处在接触状态， 因此轮齿间的齿侧间隙不会对齿轮传动系统的动态性能产生太大影响。但是在实 际工程中，齿轮可能在轻载下高速运转( 如汽车变速系统、机床主传动系统等) ， 由于齿侧间隙的存在，轮齿间接触状态会发生变化，导致轮齿间的接触、脱离、 再接触、再脱离的重复冲击，对轮齿动载荷和齿轮传动系统的动态特性产生不良 影响。因此，促使人们进行齿轮传动系统间隙非线性动力学的研究1 1 。 关于齿轮间隙非线性动力分析模型，目前主要是考虑轮齿侧隙或同时考虑轮 齿侧隙和啮合刚度时变性的单自由度模型。由于齿轮传动系统一般具有多对齿轮 副和多个滚动轴承，在这些齿轮副和滚动轴承中均可能存在间隙，而且齿轮副的 啮合刚度和滚动轴承的支承剐度均是时变参数。因此，齿轮传动系统在本质上是 时变参数与问隙非线性共生的多自由度非线性系统。针对这种情况，在齿轮传动 系统中，应进一步建立具有多间隙、多时变参数的动力学模型，并特别注意研究 多时变参数的相互作用、多时变参数与多间隙非线性间的相互作用，以及各时变 参数和间隙非线性函数具有不同幅值和不同相位时系统非线性振动的基本理论， 以便从根本上确定齿轮传动系统间隙非线性振动问题的基本性质。 6 第一章绪论 1 3 齿轮转子动力学的现状及发展趋势 1 3 1 背景及现状 齿轮传动作为机械传动的重要组成部分，在国民经济建设中起着举足轻重的 作用。在航空、船舶、汽车等领域中，其重要性尤为突出。随着科技发展，高速、 轻质量、重载齿轮传动已越来越广泛地应用于各类传动中，从而使得齿轮振动问题 日趋严重，齿轮辐板的微幅振动引起的齿轮抖动，也已成为有害的噪声源。为了解 决上述问题，以研究齿轮传动和噪声特性为主要内容的齿轮动力学十多年来得到 了较广泛的重视和研究，日本机械工程学会1 9 8 6 年对齿轮实际调查与研究表明，评 价齿轮高性能化的前两项分别为低噪声和低振动。1 9 9 2 年在美国机械工程协会主 办的第六届机械传动国际学术会议( 6 t hi n t e r n a t i o n a lp o w e rt r a n s m i s s i o na n d g e a r i n gc o n f e r e n c e ) 上，齿轮动力学研究得到了普遍的重视，宣读论文占总数的 2 1 ，列发表论文数的第一位，突出表明了齿轮传动向高速、重载方向发展后，其动 力学研究的紧迫性。我国于1 9 8 4 年成立了机械工程学机械传动分会齿轮动力学会 组，并成功地举行了三次全国齿轮动力学学术会议，促进了我国学者在这一领域内 的发展 7 , 1 6 】。 在理论分析方面，齿轮动力学起初以冲击理论为基础，后来发展到以振动理论 为基础。5 0 年代以前，人们以啮合冲击作为描述、解释齿轮动态激励、动态响应的 基础，将齿轮系统简化为比较简单的单自由度系统，用冲击作用下的单自由度的动 态响应来表达齿轮系统的动力学行为，自5 0 年代初期以来，人们将齿轮系统作为 弹性的机械振动系统，以振动理论为基础分析在啮合刚度、传递误差和啮合冲击作 用下系统的动力学行为，从而奠定了现代齿轮系统动力学的基础。同时在振动理论 的框架内，齿轮动力学又经历了由线性振动理论向非线性振动理论的发展。在线性 振动理论的范畴内，人们以平均啮合刚度替代时变啮合刚度，并由此计算齿轮副的 固有频率和振型，利用数值积分法计算系统的动态响应。这一过程不考虑由时变啮 合刚度引起的动力稳定性问题，且避开齿侧间隙引起的非线性，忽略多对齿轮副、 齿轮副和支承轴承、支承间隙等时变刚度的相互关系和相互作用对齿轮系统动态特 性的影响，而齿轮系统的非线性振动理论则考虑了啮合刚度的时变性以及齿侧间 隙、齿轮啮合误差等非线性因素，把齿轮系统作为一种非线性参数振动系统研究其 基本理论、基本方法和基本性质。在振动理论的框架内将啮合齿轮模拟成时变的弹 性元件，可以统一描述和研究轮齿啮合中刚度的时变激励、误差的周期性激励和冲 击的瞬态性激励，且这种弹性元件作为整个齿轮系统的一个研究部分，可以在研究 一个完整的弹性机械系统的过程中，研究激励、系统、响应间的相互作用和影响， 从激励和系统行为的统一性方面研究系统参数与结构的优化选择与配置【j j 。 系统全面地分析齿轮传动装置的动态性能已成为齿轮动力学研究的新趋向。 有如下几个重要方面： 华南理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 实验模态分析技术用于齿轮传动装置动态性能分析可识别系统动态特性 参数、修改系统动力学模型等，作为动态设计的重要一环； ( 2 ) 用有限元等方法进行箱体结构的动力分析，并通过修改有限元参数进行结 构优化设计； ( 3 ) 在充分研究单对齿轮传动副的动态性能的基础上，以整个齿轮传动系统为 对象全面分析其整体综合动态性能； ( 4 ) 以预估齿轮传动装置的振动和噪声为目的的动态特性分析方法不尽相同， 对于复杂的齿轮传动装置的动态设计，还应从其各组成部分的相互联系上寻求适 当的分析方法。 1 3 2 发展趋势 齿轮动力学研究的主要目的应该是在满足工作可靠性、低噪声水平下尽可能 地减轻齿轮重量、降低齿轮制造成本。为了达到这个目的，概括起来应进行以下四 个方向的工作： ( 1 ) 装置的动力学仿真与动力学综合( 设计) 的研究，使所设计的齿轮系统有 最佳的动态性能。 目前齿轮动态特性分析大多将齿轮结构振动与齿轮系统振动分别加以研究， 而并未考虑它们的相互影响。实际上，构成齿轮装置的齿轮结构振动与其系统振动 之间是有一定的关联的。例如，齿轮系统振动的主要激励是齿轮副的啮合刚度波 动。齿轮副啮合刚度波动不仅受到齿轮几何参数的影响，而且还受到齿轮结构尺寸 的影响。因此，不同的齿轮结构将对齿轮动载荷和振动产生较大作用。另一方面， 动载荷的不同反过来又将影响齿轮结构的动应力。所以，要设计出传动性能优越的 齿轮装置，不但要使设计出的齿轮在工作转速内不发生共振( 或使共振应力低于允 许值) ，而且必须综合研究齿轮几何参数与结构参数对齿轮传动振动的相互影响。 以往齿轮结构动应力计算大多采用的是整体齿轮结构分析，由于受计算机内存限 制，齿轮结构的三维有限元模型是将轮齿部分去掉。这样的计算模型无法同时获得 齿根、轮缘和轮辐等齿轮结构各部位的动应力响应。人们近年来已开始研究齿侧 间隙引起的间隙非线性动力学问题。c a i 和h a y a s h i 1 3 1 建立了直齿轮传动非线性 振动的近似线性方程。非线性动力学研究的兴起，将使齿轮装置的动力学仿真更加 逼近于齿轮实际状态。 ( 2 )齿轮装置及结构的各种阻尼减振降噪技术、动力修改和动态灵敏度方法 的研究； ( 3 )齿轮修形技术，包括齿轮装置热、弹性变形的三维修形技术的研究； ( 4 )齿轮系统的状态监控、故障诊断与失效预报的研究，这对航空、冶金、 船舶等关键齿轮传动有重要的意义。 从齿轮传动系统动力学研究的现状来看，围绕动力学模型的建立、激励因素的 8 第一章绪论 分析和确定、动力学方程的求解等方面取得了一些重要研究成果。研究齿轮传动 系统的整体动态特性已成为当前的热点和前沿课题，主要研究内容包括： ( 1 ) 内、外激励因素的分析和确定； ( 2 ) 系统动力学分析模型的建立和用于预估系统动态响应计算机软件的研制； ( 3 ) 用于动态性能评价的目标函数和参数优化设计的方法研究； ( 4 ) 实验模态分析技术在齿轮传动装置动态设计中的广泛应用； ( 5 ) 齿轮装置综合的减振和降噪技术研究与应用。 今后5 1 0 年，我国在动力传动齿轮研究的关键技术主要有： ( 1 ) 齿轮传动系统的动力学分析及设计； ( 2 ) 齿轮传动装置的减振和降噪综合技术： ( 3 ) 齿轮的展成修形设计及展成磨齿加工技术； ( 4 ) 大功率齿轮传动装置小型化优化设计研究； ( 5 ) 传动装置振动和噪声的测试及分析技术； ( 6 ) 传动齿轮、滑动轴承、离合器和联轴器等关键传动元件的可靠性设计。 1 4 齿轮减振降噪研究 1 。4 1 齿轮产生振动和噪声的机理 1 4 1 1 齿轮振动机理 理想齿轮的基本概念：无误差、无故障的齿轮称为理想齿轮。我们把理想齿轮 作为基准，其振动噪声谱作为基准谱。 齿轮动力学方程1 9 j ： ( 1 ) 啮合冲击模型 齿轮啮合存在间隙与误差及刚度变化，不可避免地会存在脱齿“接触一分离 一接触”的过程，从而产生冲击力，大小取决于脱齿位移量( h ) ，可得模型为： b = 1 + 1 + ( 2 h x ) e = e ( 1 1 ) 只，一动载荷系数：屯一静态载荷；f ，一动态载荷 ( 2 ) 动态耦合振动模型 主动齿轮和从动齿轮在啮合过程中相当于两个振子相互作用、 能成为耦合系统 冲b 薯+ 岛o ) = 尼x 2 + 钙 m a s i 2 + 也( r ) x 2 = 七葺+ 肠i m 一振子质量；m ，一耦合质量 相互影响，可 ( 1 2 ) ( 3 ) 侧隙效应模型 侧隙是产生脱啮振动噪声的基本条件，如果没有侧隙也就不可能产生脱啮， 9 华南理工大学硕士学位论文 但脱啮必须适应齿轮啮合传动和工作条件，其数学模型为： 皇小( 等 - 1 = 1 - 0 6 3 6 6 ( 言) + 0 2 3 1 3 ( 射一 ， 式中厶一有侧隙时系统振动频率；z 一无侧隙时系统振动频率 1 4 1 2 齿轮啮合噪声机理 齿轮噪声是由多种因素相互作用的结果。由于齿轮的加工误差，以及齿轮弹 性刚度的变化，产生了引起齿轮振动的起动力。齿轮噪声是由啮合过程中齿与齿 间的撞击和磨擦而产生的，也就是说由于齿轮弹性系统受激响应的结果。如果把 轮齿看作板弹簧，轮体看作质量，一个齿轮就是由板弹簧所组成的振动系统。可 以给出齿轮振动系统的运动微分方程。系统平均固有频率随啮合齿数不同而变化， 它在一定时间范围内是周期性变化的。齿轮产生的噪声可分为如下三部分：一是由 齿轮啮合冲击激发的齿轮本身固有的振动噪声，这种噪声在无负载运动时尤为明 显；二是决定于齿数和转速并与齿的冲击频率有关的噪声；三是由于齿形误差引 起的振动噪声，即由于齿轮制造不良而产生的噪声。 1 4 2 影晌齿轮振动和噪声的因素 ( 1 ) 齿轮类型对噪声的影响不同类型的齿轮，由于其几何特性不同将有不同形式 的啮合过程。一般来说，在相同条件下，斜齿轮的噪声比直齿轮低3 - l o d b 。通常 在啮合时具有滑动作用可减轻运动噪声。 ( 2 ) 压力角对齿轮噪声的影响若增大压力角就会增大齿面法向力，相应会增大节 线冲力和啮合冲力，因而导致振动和噪声的增大。 ( 3 ) 齿轮精度对齿轮噪声的影响齿轮噪声受齿轮精度的影响极大，降低齿轮噪声 的根本就是提高齿轮的精度。对于精度极低的齿轮，采用其他降噪措旌都是徒劳 的。因此，高精度是低噪声的基础。噪声与基节误差成正比增减，当转速增高或 负荷增大，噪声增减的梯度也增大。齿轮误差会使噪声增加。齿圈的径向跳动在 齿轮噪声里有时产生多种尖叫声。齿面粗糙度与精度、齿面误差对噪声的影响都 很大。 ( 4 ) 齿面参数、结构形状对噪声的影响在设计时，若齿轮强度允许的话，应尽可 能设计小的模数和选择合适的材料与热处理方法，以提高齿轮的强度，减少齿轮 直径以利于降低噪声。 ( 5 ) 轮齿加工工艺方法对齿轮噪声的影响实践证明，采用衍齿工艺解决齿轮噪声 是一种有效方法。将齿形加工工艺采用“滚齿一剃齿一热处理一衍齿”，并研究解 决各道工序中出现的问题，就可以一定程度上解决齿轮噪声【1 0 1 。 1 0 第一章绪论 1 4 3 控制齿轮噪声的主要措施 控制齿轮噪声的主要方法是减弱或消除激起齿轮振动的强制力；其次是控制 由于冲击而产生的振动；再者就是对已发生的振动、噪声采用隔离、屏蔽、消除 等措施。 采用阻尼大的材料制造齿轮或齿轮辐板上填加阻尼的措施，可抑制谐振，对 降低齿轮轮辐辐射噪声特别是高频成分是有效的。 在齿轮体上或齿轮盖上设置加强筋，提高刚度，改变其固有频率，使其避开 齿轮运转激励频率是降低谐振峰值的最常用的措施。但加强筋的设置位置和尺寸 最好经过模态分析后确定，否则会因设置不当，反而增大噪声1 。 1 5 粉末冶金温压斜齿轮的材料性能及研究现状 1 5 1 温压铁基粉末冶金材料的性能及其现状 温压可获得高密度、高性能的铁基粉末冶金材料已在粉末冶金行业得到共 识。表卜2 列出了国外著名公司采用温压技术生产的铁基粉末冶金材料的性能。 表卜2 国外几种温压铁基粉末冶金材料的性能1 4 - 1 5 t a b l e1 - 2p r o p e r t i e so fs o m ef o r e i g nw a r mc o m p a c t i o np o w d e r s 公司名称材料压制密度烧结 j 烧结 压力g c m 3温度 m p a 条件 生坯烧坯 m p ao c a n t o r s t e e l 8 5 h p5 5 07 3 51 1 2 05 8 92 13 0 分 ( 1 2 5 3 )( 1 3 ) 钟 6 9 07 4 41 1 2 06 3 62 i 7 5 1 ( 1 3 0 6 ) ( i 3 )2 5 鼠 n a m e r i c ao is t a l o y4 8 0 0 a5 5 0 7 2 5 1 1 2 07 4 52 8 h o e g a n a e s + o 5 c ( 1 2 9 3 ) ( 1 3 ) 6 9 07 3 21 1