面向摆杆活齿传动的动态特性评估与齿形主动动力学设计研究

High speed and heavy load aggravate the vibration of driving gear, and the dynamic performance of the whole system is directly affected. To realize the large torque and low vibration technical requirements by metallurgical mines equipment, the design theory with the target of high dynamic characteristics is urgently needed. This project takes swing rod movable teeth drive as the research object and builds the dynamic model of transmission system of time-varying mesh stiffness and dynamic error considering the couplings among alternating load distribution, heat effect and tooth profile curvature on the stiffness excitation, including the random and coupling of error of meshing pairs. This model can be used to realize scientific description and quantitative assessment of the dynamic characteristics for the drive. The influence law of tooth profile feature parameters on dynamic characteristics is revealed by numerical analysis approach. By introducing the state process control idea, the design parameters of teeth profile is determined and active dynamics design approach of teeth profile is proposed. The mathematical model is verified and amended through experimental research to form the tooth profile generating principle with the target of high dynamic characteristics. The research results of the project has the features in the dynamic characteristics evaluation and teeth design, which can enrich and perfect the theory system and design method of swing rod movable teeth drive, and also provide solid theoretical support for the dynamic characteristics study of such small teeth difference planetary drive.

高速重载加剧了传动装置的振动，直接影响整套系统的动态性能，需要探索以高动态特性为目标的设计理论，实现冶金矿山等机电装备对大扭矩、低振动传动装置的技术需求。本项目以摆杆活齿传动为研究对象，全面考虑交变载荷分布、热效应以及齿廓齿形曲率特征与刚度激励的耦合关系，计入啮合副误差随机性与耦合性，建构综合考虑时变刚度、动态误差等因素的传动系统动力学模型，实现对传动动态特性的科学描述和量化评估。用数值分析的方法揭示齿形特征参数变化对动态特性的影响规律，引入状态过程控制的思想，确定齿形设计参数，提出齿形主动动力学设计方法。通过实验研究对所建数学模型进行验证和修正，最终形成以高动态特性为目标的齿形生成原理。项目研究成果在动态特性评估和齿形设计方面具有特色，可以丰富和完善摆杆活齿传动理论体系与设计方法，并为提高此类少齿差行星传动系统动态特性的研究提供坚实的理论支撑。

鉴于机电装置对高转速、大扭矩、低振动传动装置的性能需求，综合考虑时变刚度激励、动态误差激励等因素，建立摆杆活齿传动系统动力学模型，对摆杆活齿传动系统动态特性进行分析，揭示影响系统动态特性的齿形设计参数及其敏感程度，提出摆杆活齿运动状态主动控制设计方法，实现中心轮与激波器理论齿形同一化表述，形成以高动态特性为目标的齿形生成原理。项目主要研究内容包括：推导出激波器与中心轮理论廓线设计方程，并对廓线设计方程进行同一化表述；在考虑热弹性变形的基础上分析了接触啮合刚度、热啮合刚度以及综合啮合刚度；建立了摆杆活齿传动机构的传动误差模型；计算并统计分析了传动误差值，形成了机构组件的公差制定准则；分析了各啮合副的动态啮合力，得到了啮合刚度随激波器转角的变化规律，建立了考虑刚度激励和误差激励的摆杆活齿传动非线性扭转振动微分方程；建立了考虑热变形的摆杆活齿传动系统的纯扭转振动方程，分析了啮合副的热变形对系统动力学的影响；分析了设计变量对各子系统的扭转振动稳态响应的影响，对各个子系统动态性能进行了单目标优化，并根据目标函数的结果分析比较了各组设计参数对整机动态性能的影响，确定了最终样机设计参数；运用Adams分析了机构在怠速工况和额定工况下的速比、啮合副瞬态啮合力，运用ANSYS Workbench分析了机构的模态特性，分析了系统的固有频率；完成了实验样机的设计加工，经试运行，样机转动灵活无卡顿，验证了齿形设计理论的正确性。本项目的研究实现了摆杆活齿传动齿形主动动力学设计，对于传动装置动态特性指标从被动接受到主动控制的转变具有重要的科学意义，研究成果可为类似活齿传动的设计与制造提供理论参考，具有重要的工程应用价值。