高性能滚动轴承-螺旋锥齿轮系统柔性多体接触动力学研究

The high-performance rolling bearings-spiral bevel gear systems are typically key basic parts and key systems of key equipment. Currently, the exact dynamics models and dynamics analysis are the urgent and key questions of the actual spiral bevel gear systems. The rolling bearings and meshing teeth are usually equivalent to the combination surface models of vibration analysis models in gear systems. Actually, it's difficult to simulate multibody dynamics analysis of high-performance rolling bearings-spiral bevel gear systems by the lumped parameter method. The method of finite element flexible body and the method of quadrilateral patch mesh are proposed in this project on basis of multibody dynamics, finite element method and contact dynamics. The flexible multibody contact dynamics models of rolling bearings and spiral bevel gear transmission with the real structure of components and parts. The bounding box algorithm is programmed for fast searching for dynamic contact. The mechanism and essence are revealed for dynamic lubrication, friction, contact and impact between multi-flexible bodies and multi interface of high-performance rolling bearings and spiral bevel gear transmission. The influence and rule are discussed on dynamic performance and operation stability. The flexible multibody contact dynamics models of high-performance rolling bearings-spiral bevel gear systems by multibody finite element method. The dynamic performance, stability and vibration response are simulated by generalized alpha algorithm under extreme and complex conditions. The new method of flexible multibody contact dynamics analysis on high-performance rolling bearings-spiral bevel gear systems.

高性能滚动轴承-螺旋锥齿轮系统是重大装备的典型关键基础件和关键系统，建立尽可能符合实际的系统动力学模型和动力学分析成为亟待解决的关键问题。齿轮系统振动分析中滚动轴承和啮合齿面的等效结合部力学模型，已不能满足复杂工况下高性能滚动轴承-螺旋锥齿轮系统的精确动力学分析要求。项目运用多体动力学方法、有限元方法和润滑摩擦理论，通过有限元柔性体建模方法和四边形面网格方法研究，建立滚动轴承和螺旋锥齿轮的真实结构柔性多体接触动力学模型和包围盒快速搜索算法。揭示高性能滚动轴承和螺旋锥齿轮的多柔性体、多界面动态润滑摩擦机理和动态接触碰撞行为及其对系统的动力学性能和运行稳定性的影响规律。运用多体有限元方法和广义-α算法，建立高性能滚动轴承-螺旋锥齿轮系统的柔性多体接触动力学分析模型，计算模拟极端和复杂工况下齿轮系统的动态性能、稳定性和振动响应，提出高性能滚动轴承-螺旋锥齿轮系统的柔性多体接触动力学分析的新方法。

高性能滚动轴承-螺旋锥齿轮系统是典型的多源强激励多体系统和基础传动装置，对高端重大装备系统的动态性能有着重要的影响。本项目以高端重大装备对螺旋锥齿轮系统的高性能需求为背景，研究考虑多柔性体和多界面动态接触的滚动轴承-螺旋锥齿轮系统的动力学建模与动力学分析方法，为解决复杂齿轮系统的基础理论研究和工程技术领域的关键共性问题提供技术支撑。针对滚动轴承动力学研究中由多柔性体、多界面动态接触带来的难点问题，基于套圈滚道和保持架兜孔的真实接触界面的表面方程和球-面动态接触的罚函数法，提出了滚动轴承有限元柔性体的真实接触界面的四边形网格方法、三维接触建模方法和动力学分析方法，分析了滚动体与套圈和保持架的动态应力规律，动态接触碰撞作用和动态响应。从螺旋锥齿轮局部综合法出发，根据完整弧齿齿面方程，构建完整弧齿全齿面的四边形网格模型，建立多柔性体、多界面动态接触的螺旋锥齿轮啮合动力学模型，实现数字化弧齿齿面的动态接触分析，分析了不同负载扭矩和转速条件下完整弧齿齿面的三维动态接触规律和边缘接触规律及弧齿锥齿轮传动性能。考虑多柔性体、多界面动态接触作用、多间隙和摩擦作用，建立滚动轴承-弧齿锥齿轮系统的动力学分析模型，分析揭示了系统中滚动轴承和弧齿锥齿轮的动态接触机理、边缘接触现象和动态应力规律及其对系统动态性能的影响。研究发现弧齿最大综合应力的基频为啮合频率，其余为谐波倍频。套圈最大综合应力的频谱为耦合频率和啮合频率及其倍频，传统的理想约束和刚性假设的齿轮系统设计方法会低估弧齿齿面的啮合力和动态应力。构建了滚动轴承和螺旋锥齿轮系统的振动测试系统，理论分析和试验结果揭示了润滑、载荷和转速条件对滚动轴承和齿轮箱振动特性的影响。提出了一种考虑滚动轴承动态性能的螺旋锥齿轮系统柔性多体接触动力学分析的新方法，对丰富完善复杂齿轮系统动力学理论具有重要的意义。