行星式多级变速端面齿轮双鼓齿面构型理论及传动性能研究
发布时间：2023-03-20 05:31
行星式多级端面齿轮变速装置(Multispeed Face Gears Transmission Device,简称MFGTD)是一种将端面齿轮引入到多级行星传动系统中的新型传动装置,既能实现多种传动比变化,灵活地扩展单级端面齿轮的速比区域;又能提效节能、精简传动级数、优化支承结构、提高承载能力。本文以端面齿轮双鼓构型设计的关键理论问题作为切入点,以削除啮合干涉、提高传动平稳性和承载能力为目标,解决双鼓齿面构型优化、高精度加工与承载性能等关键技术问题。通过改变啮合齿数、压力角、输入转速和负载等条件对其啮合特性、接触强度、动态特性进行研究,优化确立双鼓齿面的几何形状和边界条件。通过样机的制造和齿面精度检测,确立具备高承载能力的双鼓齿面形貌特征参数。在此基础上,以提升行星式MFGTD的传动性能和变速平顺性为目标,围绕行星齿轮的均载分流特性和传动效率开展研究,利用数值模拟方法建立了传动误差和传动效率求解模型,详细分析了各因素对其运动特性的影响。论文主要的研究包括:(1)建立双鼓构型设计及参数敏感度分析模型。由于齿轮无法避免设计和制造误差、受载变形以及实际啮合过程中产生振动和偏载等诸多因数的影...
【文章页数】：174 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题来源
1.2 研究背景和意义
1.2.1 研究背景
1.2.2 研究意义
1.3 国内外研究现状
1.3.1 端面齿轮设计及啮合性能研究现状
1.3.1.1 端面齿轮结构设计特点及加工技术研究现状
1.3.1.2 端面齿轮啮合接触性能研究现状
1.3.1.3 端面齿轮运动学特性研究现状
1.3.1.4 端面齿轮动力学特性研究现状
1.3.2 齿轮修形及其力学特性研究现状
1.3.2.1 齿轮鼓形修形及承载特性研究现状
1.3.2.2 鼓形齿轮碰撞冲击特性研究现状
1.3.3 行星齿轮啮合接触特性及动态特性研究现状
1.3.3.1 行星齿轮结啮合接触特性研究现状
1.3.3.2 行星齿轮动态特性研究现状
1.3.4 行星传动装置传动性能研究现状
1.3.4.1 行星传动装置均载特性研究现状
1.3.4.2 行星传动装置振动特性研究现状
1.4 国内外研究现状分析
1.5 主要研究内容和技术路线
1.5.1 研究目的
1.5.2 主要研究内容
1.5.3 技术路线
第二章 双鼓齿面端面齿轮设计理论及样机加工研究
2.1 引言
2.2 双鼓齿面方程推导
2.2.1 双鼓修形理论
2.2.1.1 齿廓修形
2.2.1.2 齿向修形
2.2.1.3 双鼓修形
2.2.2 圆柱齿轮双鼓齿面方程
2.2.2.1 修形齿条齿面方程
2.2.2.2 齿条刀具齿轮与圆柱齿轮齿廓修形齿面方程
2.2.2.3 刀具产形齿轮齿向修形齿面方程
2.2.2.4 圆柱齿轮双鼓齿面方程
2.2.3 端面齿轮双鼓齿面方程
2.2.3.1 刀具齿轮与端面齿轮啮合处的相对坐标系的建立与转换
2.2.3.2 刀具齿轮与端面齿轮啮合处的相对速度
2.2.3.3 双鼓齿面啮合方程
2.2.3.4 端面齿轮双鼓齿面方程的建立
2.3 端面齿轮双鼓齿面构型仿真
2.3.1 单级端面齿轮修形建模
2.3.2 多级端面齿轮装配建模
2.4 端面齿轮复杂曲面多轴联动数控铣销加工方法研究
2.4.1 数控铣销加工机理
2.4.2 端面齿轮数控铣销加工方法
2.4.2.1 刀位啮合计算
2.4.2.2 机床参数变换
2.4.3 加工误差对端面齿轮齿面精度的影响
2.4.3.1 刀具齿面误差的影响
2.4.3.2 刀具轴向窜动误差影响
2.4.3.3 刀具径向跳动误差影响
2.4.3.4 工件摆动误差影响
2.4.3.5 机床各轴运动误差影响
2.5 实物样机加工
2.6 本章小结
第三章 双鼓齿面端面齿轮啮合性能及接触强度特性分析
3.1 引言
3.2 双鼓齿面端面齿轮接触模型
3.2.1 端面齿轮双鼓齿面点接触传动接触轨迹
3.2.2 端面齿轮加载时的接触区域
3.2.3 端面齿轮加载接触变形计算
3.2.4 端面齿轮加载齿间载荷分配
3.2.5 端面齿轮齿面接触应力分析
3.3 双鼓齿面端面齿轮强度条件
3.3.1 端面齿轮齿面接触强度
3.3.2 端面齿轮齿根弯曲强度
3.4 端面齿轮TCA有限元分析模型
3.4.1 静态接触控制方程及接触条件
3.4.1.1 静力学基本控制方程
3.4.1.2 法向接触条件
3.4.1.3 切向接触条件
3.4.1.4 静态接触受力条件
3.4.2 静载条件下的强度特性有限元分析
3.4.3 鼓形量对啮合接触强度的影响
3.4.4 摩擦系数对啮合接触强度的影响
3.4.5 端面齿轮固有特性分析
3.4.4.1 鼓形量的模态特征分析
3.4.4.2 齿面摩擦系数的模态特征分析
3.5 端面齿轮LTCA模型
3.5.1 动态接触控制方程及接触条件
3.5.1.1 完全Lagrange方程
3.5.1.2 罚函数方程
3.5.1.3 动态接触时的有效载荷
3.5.2 鼓形量对加载啮合接触强度的影响
3.5.3 摩擦系数对加载啮合接触强度的影响
3.5.4 转速对加载啮合接触强度的影响
3.6 多级端面齿轮VSII模型
3.6.1 级间冲击模型的建立
3.6.1.1 啮合冲击速度
3.6.1.2 啮合冲击动能
3.6.1.3 啮合冲击力
3.6.2 VSII模型假设
3.6.3 变速级间冲击强度特性分析
3.7 本章小结
第四章 端面齿轮的耦合动力学特性分析
4.1 引言
4.2 多级端面齿轮耦合振动模型的建立
4.2.1 单/多级耦合振动模型
4.2.2 耦合振动方程
4.3 耦合振动模型动态特性主要表征参数
4.3.1 等效质量
4.3.2 综合啮合刚度
4.3.2.1 圆柱齿轮啮合刚度
4.3.2.2 端面齿轮啮合刚度
4.3.2.3 端面齿轮副综合啮合刚度
4.3.3 等效支承刚度
4.3.3.1 圆柱齿轮支承刚度
4.3.3.2 端面齿轮支承刚度
4.3.4 等效阻尼
4.3.4.1 等效啮合阻尼
4.3.4.2 扭转阻尼
4.3.4.3 支承阻尼
4.4 传动系统激励影响分析
4.4.1 系统内部主要激励
4.4.1.1 综合传动误差激励
4.4.1.2 齿面摩擦激励
4.4.1.3 时变刚度激励
4.4.1.4 齿侧间隙激励
4.4.2 外部主要激励
4.4.2.1 加载转速激励
4.4.2.2 负载激励
4.5 端面齿轮耦合振动微分方程求解
4.5.1 耦合振动微分动力学方程求解方法
4.5.2 主要参数定义及选取
4.5.3 端面齿轮线性动力学特性分析
4.5.3.1 变速级数对系统线性动力学特性的影响
4.5.3.2 摩擦系数对系统线性动力学特性的影响
4.5.3.3 加载转速对系统线性动力学特性的影响
4.5.4 端面齿轮非线性动力学特性分析
4.5.4.1 摩擦系数对系统非线性动力学特性的影响
4.5.4.2 传动误差对系统非线性动力学特性的影响
4.5.4.3 激励频率对系统非线性动力学特性的影响
4.6 本章小结
第五章 行星式多级端面齿轮变速装置传动性能研究
5.1 引言
5.2 传动原理及变速机理分析
5.3 传动比及运动关系分析
5.4 功率流与传动效率分析
5.4.1 各构件的功率流分析
5.4.2 系统构件间的功率分配关系
5.4.3 传动效率的计算公式
5.4.3.1 啮合传动效率分析
5.4.3.2 传动比对啮合效率的影响
5.4.3.3 端面齿轮齿数对啮合效率的影响
5.4.3.4 压力角对啮合效率的影响
5.4.3.5 摩擦系数对啮合效率的影响
5.4.4 功率流分配关系对传动效率的影响
5.5 静力学均载特性分析
5.5.1 差动轮/行星轮个数对静力学均载特性的影响
5.5.2 齿数对静力学均载特性的影响
5.5.3 输入扭矩对静力学均载特性的影响
5.6 动力学均载特性分析
5.6.1 各构件动态啮合力求解
5.6.2 传动系统的动力学均载系数分析
5.6.3 动力学均载系数主要影响因素
5.6.3.1 差动轮/行星轮布置个数及安装角度的影响
5.6.3.2 综合误差的影响
5.6.3.3 啮合刚度的影响
5.6.3.4 输入转速的影响
5.7 本章小结
第六章 多级端面齿轮表面精度检测及传动性能实验验证
6.1 引言
6.2 双鼓齿面齿面精度检测
6.2.1 齿面偏差及齿面接触区域测量
6.2.2 三坐标仪齿面检测
6.2.3 给定采样点数量进行齿面自适应采样
6.2.4 端面齿轮齿面检测试验分析
6.2.4.1 加工精度检测
6.2.4.2 啮合齿面误差检测
6.2.4.3 负载变形量检测
6.3 多级端面齿轮变速装置传动性能实验
6.3.1 实验条件及原理
6.3.2 传动误差实验结果分析
6.3.3 传动效率实验结果分析
6.3.4 变速条件下的运动学特性分析
6.3.4.1 减速过程的传动误差
6.3.4.2 加速过程的传动误差
6.3.4.3 减速过程的传动效率
6.3.4.4 加速过程的传动效率
6.4 多级端面齿轮变速装置振动特性试验
6.4.1 实验条件及原理
6.4.2 输入转速对振动特性的影响
6.4.2.1 一级端面齿轮不同输入转速条件下的振动特性结果分析
6.4.2.2 二级端面齿轮不同输入转速条件下的振动特性结果分析
6.4.2.3 三级端面齿轮不同输入转速条件下的振动特性结果分析
6.4.3 负载对振动特性的影响
6.4.3.1 一级端面齿轮不同负载条件下的振动特性结果分析
6.4.3.2 二级端面齿轮不同负载条件下的振动特性结果分析
6.4.3.3 三级端面齿轮不同负载条件下的振动特性结果分析
6.5 本章小结
总结与展望
全文总结
主要贡献和创新点
研究展望
参考文献
攻读博士学位期间取得的研究成果
致谢
附件
本文编号：3766787
【文章页数】：174 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题来源
1.2 研究背景和意义
1.2.1 研究背景
1.2.2 研究意义
1.3 国内外研究现状
1.3.1 端面齿轮设计及啮合性能研究现状
1.3.1.1 端面齿轮结构设计特点及加工技术研究现状
1.3.1.2 端面齿轮啮合接触性能研究现状
1.3.1.3 端面齿轮运动学特性研究现状
1.3.1.4 端面齿轮动力学特性研究现状
1.3.2 齿轮修形及其力学特性研究现状
1.3.2.1 齿轮鼓形修形及承载特性研究现状
1.3.2.2 鼓形齿轮碰撞冲击特性研究现状
1.3.3 行星齿轮啮合接触特性及动态特性研究现状
1.3.3.1 行星齿轮结啮合接触特性研究现状
1.3.3.2 行星齿轮动态特性研究现状
1.3.4 行星传动装置传动性能研究现状
1.3.4.1 行星传动装置均载特性研究现状
1.3.4.2 行星传动装置振动特性研究现状
1.4 国内外研究现状分析
1.5 主要研究内容和技术路线
1.5.1 研究目的
1.5.2 主要研究内容
1.5.3 技术路线
第二章 双鼓齿面端面齿轮设计理论及样机加工研究
2.1 引言
2.2 双鼓齿面方程推导
2.2.1 双鼓修形理论
2.2.1.1 齿廓修形
2.2.1.2 齿向修形
2.2.1.3 双鼓修形
2.2.2 圆柱齿轮双鼓齿面方程
2.2.2.1 修形齿条齿面方程
2.2.2.2 齿条刀具齿轮与圆柱齿轮齿廓修形齿面方程
2.2.2.3 刀具产形齿轮齿向修形齿面方程
2.2.2.4 圆柱齿轮双鼓齿面方程
2.2.3 端面齿轮双鼓齿面方程
2.2.3.1 刀具齿轮与端面齿轮啮合处的相对坐标系的建立与转换
2.2.3.2 刀具齿轮与端面齿轮啮合处的相对速度
2.2.3.3 双鼓齿面啮合方程
2.2.3.4 端面齿轮双鼓齿面方程的建立
2.3 端面齿轮双鼓齿面构型仿真
2.3.1 单级端面齿轮修形建模
2.3.2 多级端面齿轮装配建模
2.4 端面齿轮复杂曲面多轴联动数控铣销加工方法研究
2.4.1 数控铣销加工机理
2.4.2 端面齿轮数控铣销加工方法
2.4.2.1 刀位啮合计算
2.4.2.2 机床参数变换
2.4.3 加工误差对端面齿轮齿面精度的影响
2.4.3.1 刀具齿面误差的影响
2.4.3.2 刀具轴向窜动误差影响
2.4.3.3 刀具径向跳动误差影响
2.4.3.4 工件摆动误差影响
2.4.3.5 机床各轴运动误差影响
2.5 实物样机加工
2.6 本章小结
第三章 双鼓齿面端面齿轮啮合性能及接触强度特性分析
3.1 引言
3.2 双鼓齿面端面齿轮接触模型
3.2.1 端面齿轮双鼓齿面点接触传动接触轨迹
3.2.2 端面齿轮加载时的接触区域
3.2.3 端面齿轮加载接触变形计算
3.2.4 端面齿轮加载齿间载荷分配
3.2.5 端面齿轮齿面接触应力分析
3.3 双鼓齿面端面齿轮强度条件
3.3.1 端面齿轮齿面接触强度
3.3.2 端面齿轮齿根弯曲强度
3.4 端面齿轮TCA有限元分析模型
3.4.1 静态接触控制方程及接触条件
3.4.1.1 静力学基本控制方程
3.4.1.2 法向接触条件
3.4.1.3 切向接触条件
3.4.1.4 静态接触受力条件
3.4.2 静载条件下的强度特性有限元分析
3.4.3 鼓形量对啮合接触强度的影响
3.4.4 摩擦系数对啮合接触强度的影响
3.4.5 端面齿轮固有特性分析
3.4.4.1 鼓形量的模态特征分析
3.4.4.2 齿面摩擦系数的模态特征分析
3.5 端面齿轮LTCA模型
3.5.1 动态接触控制方程及接触条件
3.5.1.1 完全Lagrange方程
3.5.1.2 罚函数方程
3.5.1.3 动态接触时的有效载荷
3.5.2 鼓形量对加载啮合接触强度的影响
3.5.3 摩擦系数对加载啮合接触强度的影响
3.5.4 转速对加载啮合接触强度的影响
3.6 多级端面齿轮VSII模型
3.6.1 级间冲击模型的建立
3.6.1.1 啮合冲击速度
3.6.1.2 啮合冲击动能
3.6.1.3 啮合冲击力
3.6.2 VSII模型假设
3.6.3 变速级间冲击强度特性分析
3.7 本章小结
第四章 端面齿轮的耦合动力学特性分析
4.1 引言
4.2 多级端面齿轮耦合振动模型的建立
4.2.1 单/多级耦合振动模型
4.2.2 耦合振动方程
4.3 耦合振动模型动态特性主要表征参数
4.3.1 等效质量
4.3.2 综合啮合刚度
4.3.2.1 圆柱齿轮啮合刚度
4.3.2.2 端面齿轮啮合刚度
4.3.2.3 端面齿轮副综合啮合刚度
4.3.3 等效支承刚度
4.3.3.1 圆柱齿轮支承刚度
4.3.3.2 端面齿轮支承刚度
4.3.4 等效阻尼
4.3.4.1 等效啮合阻尼
4.3.4.2 扭转阻尼
4.3.4.3 支承阻尼
4.4 传动系统激励影响分析
4.4.1 系统内部主要激励
4.4.1.1 综合传动误差激励
4.4.1.2 齿面摩擦激励
4.4.1.3 时变刚度激励
4.4.1.4 齿侧间隙激励
4.4.2 外部主要激励
4.4.2.1 加载转速激励
4.4.2.2 负载激励
4.5 端面齿轮耦合振动微分方程求解
4.5.1 耦合振动微分动力学方程求解方法
4.5.2 主要参数定义及选取
4.5.3 端面齿轮线性动力学特性分析
4.5.3.1 变速级数对系统线性动力学特性的影响
4.5.3.2 摩擦系数对系统线性动力学特性的影响
4.5.3.3 加载转速对系统线性动力学特性的影响
4.5.4 端面齿轮非线性动力学特性分析
4.5.4.1 摩擦系数对系统非线性动力学特性的影响
4.5.4.2 传动误差对系统非线性动力学特性的影响
4.5.4.3 激励频率对系统非线性动力学特性的影响
4.6 本章小结
第五章 行星式多级端面齿轮变速装置传动性能研究
5.1 引言
5.2 传动原理及变速机理分析
5.3 传动比及运动关系分析
5.4 功率流与传动效率分析
5.4.1 各构件的功率流分析
5.4.2 系统构件间的功率分配关系
5.4.3 传动效率的计算公式
5.4.3.1 啮合传动效率分析
5.4.3.2 传动比对啮合效率的影响
5.4.3.3 端面齿轮齿数对啮合效率的影响
5.4.3.4 压力角对啮合效率的影响
5.4.3.5 摩擦系数对啮合效率的影响
5.4.4 功率流分配关系对传动效率的影响
5.5 静力学均载特性分析
5.5.1 差动轮/行星轮个数对静力学均载特性的影响
5.5.2 齿数对静力学均载特性的影响
5.5.3 输入扭矩对静力学均载特性的影响
5.6 动力学均载特性分析
5.6.1 各构件动态啮合力求解
5.6.2 传动系统的动力学均载系数分析
5.6.3 动力学均载系数主要影响因素
5.6.3.1 差动轮/行星轮布置个数及安装角度的影响
5.6.3.2 综合误差的影响
5.6.3.3 啮合刚度的影响
5.6.3.4 输入转速的影响
5.7 本章小结
第六章 多级端面齿轮表面精度检测及传动性能实验验证
6.1 引言
6.2 双鼓齿面齿面精度检测
6.2.1 齿面偏差及齿面接触区域测量
6.2.2 三坐标仪齿面检测
6.2.3 给定采样点数量进行齿面自适应采样
6.2.4 端面齿轮齿面检测试验分析
6.2.4.1 加工精度检测
6.2.4.2 啮合齿面误差检测
6.2.4.3 负载变形量检测
6.3 多级端面齿轮变速装置传动性能实验
6.3.1 实验条件及原理
6.3.2 传动误差实验结果分析
6.3.3 传动效率实验结果分析
6.3.4 变速条件下的运动学特性分析
6.3.4.1 减速过程的传动误差
6.3.4.2 加速过程的传动误差
6.3.4.3 减速过程的传动效率
6.3.4.4 加速过程的传动效率
6.4 多级端面齿轮变速装置振动特性试验
6.4.1 实验条件及原理
6.4.2 输入转速对振动特性的影响
6.4.2.1 一级端面齿轮不同输入转速条件下的振动特性结果分析
6.4.2.2 二级端面齿轮不同输入转速条件下的振动特性结果分析
6.4.2.3 三级端面齿轮不同输入转速条件下的振动特性结果分析
6.4.3 负载对振动特性的影响
6.4.3.1 一级端面齿轮不同负载条件下的振动特性结果分析
6.4.3.2 二级端面齿轮不同负载条件下的振动特性结果分析
6.4.3.3 三级端面齿轮不同负载条件下的振动特性结果分析
6.5 本章小结
总结与展望
全文总结
主要贡献和创新点
研究展望
参考文献
攻读博士学位期间取得的研究成果
致谢
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