螺旋锥齿轮传动系统非线性动力学特性分析及参数协同优化

Research on concurrent design and collaborative optimization, associated with the dynamic parameters of spiral bevel gear and the setting parameters of machine tool, is carried out by means of multi objective and multi parameter co-simulation. The influence of the error excitation caused by installation error on dynamic performances of the spiral bevel gear system is studied and the sensitivity of its dynamics to the error parameters is analyzed. High nonlinearities and time-varying characteristics of the bevel gear-parallel axes-planetary star multi-stage gear transmission system and bevel gear-rotor–bearing system, exhibited in the realization of their function goals, are studied, and the internal evolution mechanism and bifurcation characteristics of the dynamic performance of the systems are revealed. The duty ratio is used for evaluating the demeshing degree of meshing-impact responses of gear transmission systems, and the characteristics and correlations of the demeshing of the meshing gear pairs, caused by the change of the backlashes, are further analyzed for finding the interaction effects of different demeshing patterns and their competition law in the parameter domain. The influences of tooth surface temperature variation on meshing stiffness, backlash and friction factors during gear meshing are investigated for revealing the influences of the interactions between the tooth surface contact temperature and the key dynamic parameters on dynamic performances of gear transmission systems. The electronic circuit of equivalent dynamic characteristics of the spiral bevel gear pair, with the integration effect and functional compatibility of all nonlinear links and the whole system, is designed and implemented, by which dynamic characteristics of the spiral bevel gear system are experimentally verified.

基于机床设定参数加工的理论齿面齿轮和多目标多参数协同仿真，开展螺旋锥齿轮动力学参数和机床设定参数的并行设计与协同优化研究。研究安装误差引起的误差激励对螺旋锥齿轮系统动力学性能的影响，揭示其动力学对误差参数的敏感度。研究锥-平行轴-行星多级齿轮传动系统和锥齿轮‒转子‒轴承系统功能目标实现中的高度非线性和时变特征规律，揭示系统动态性能演变的内在机理与分岔特性。通过占空比评价齿轮传动系统冲击啮合响应的脱啮程度，揭示齿侧间隙变化引发的齿轮副间脱啮的涌现特征和相关性，不同脱啮模式交互作用的影响及其在参数域的竞争规律。研究齿轮啮合过程中齿面接触温度变化对啮合刚度、齿侧间隙和摩擦因素等参数的影响，揭示齿面接触温度及关键动力学参数的交互作用对齿轮传动系统动力学性能的影响方式。设计螺旋锥齿轮副等效动态特性的电子电路，实现各非线性环节和整体系统集成效应及功能相容性，通过电路实验验证螺旋锥齿轮系统的动力学特性。

齿轮是机械装备中应用广泛的机械基础件之一。齿轮系统及传动装置动态性能匹配设计多年来受到关注，其动力学研究旨在解决生产实践中遇到的诸多实际难题。影响齿轮传动系统动力学性能的因素较多，只有从多参数角度和系统层面研究齿轮传动系统的动力学方可准确描述其动态特性，实现齿轮系统的动态特性与其功能目标的协同优化与匹配设计。项目基于机床设定参数加工的理论齿面齿轮，通过多目标、多参数协同仿真，确定了内激励作用下的螺旋锥齿轮系统呈现完全啮合运动的啮合参数的合理匹配范围。综合考虑了时变啮合刚度和时变传动误差等影响齿轮传动性能的若干时变因素及齿轮副齿侧间隙及安装误差，研究了螺旋锥齿轮系统的完全啮合运动的分岔特性，揭示完全啮合运动向非完全啮合运动跃变的Grazing分岔和Jumping分岔的关联性。研究了加工误差、安装误差和传动误差等误差因素及其引起的误差激励对螺旋锥齿轮系统动力学性能的影响，确定了齿轮系统可接受的综合啮合误差范围。通过多目标多参数协同仿真分析研究了螺旋锥齿轮二级传动系统、螺旋锥–斜齿圆柱齿轮二级传动系统、正交面齿轮系统、端曲面齿轮系统、非正交面齿轮系统、人字齿轮系统和行星齿轮传动系统的动态特性与动力学参数的关联关系及匹配规律，研究了齿轮传动系统时变啮合参量的特征规律及影响，从多参数角度和系统层面揭示了齿轮系统动态特性演变的共性机理与规律特征。研究了齿轮传动系统非完全啮合响应的脱啮程度，揭示了多级齿轮传动系统多个齿轮副齿侧间隙综合效应引发的齿轮副间脱啮的涌现特征和相关性，齿轮副脱啮顺序、齿轮副不同脱啮模式交互作用的影响及其在参数域中的竞争规律。发现不同齿形和不同传动方式的齿轮副非完全啮合运动在模式类型和发生机理方面呈现了相同的规律：完全啮合运动经轮齿擦碰接触诱发Grazing分岔转迁为非完全啮合运动，Jumping分岔边界上齿轮副的啮合位移突变而导致脱啮占空比和最大动载荷突增；多周期和无规则类非完全啮合运动的发生域限于关联基本啮合周期的非完全啮合运动的周期倍化分岔边界所围成的参数域，小的齿侧间隙阈值导致齿轮副于偏中啮合频段和高啮合频域呈现齿面、齿背冲击类非完全啮合运动；多级齿轮传动系统的齿轮副非完全啮合运动涌现的竞争力从主动轮起逐级减弱。研究内容可为齿轮系统动态性能匹配设计和关键参数合理匹配提供可行方法。