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齿面摩擦对面齿轮传动系统振动特性的
影响分析
齿轮的摩擦学机制异常复杂,是目前机械研究的热点,其中
摩擦力对齿轮传动过程中的振动特性影响较大,加剧了系统的振
动和噪声,齿面摩擦除引起齿轮沿垂直啮合线方向平移振动,还
会形成摩擦力矩制约扭转振动,当齿面润滑不良或齿面出现微损
伤时,摩擦力激励成为重要的振动源。因而,有必要深入分析齿
面摩擦动力学激励机理,特别是齿面微观变化时对系统动力学特
征的影响。
目前,国内外对渐开线圆柱齿轮和锥齿轮传动的摩擦力研究
较多,亦有摩擦力对齿轮传动动力学的影响分析研究[1~6],国
内的靳广虎、杨振等建立了含传动误差、齿侧间隙等参数的正交
面齿轮传动系统的非线性振动模型,分析了传动误差、支撑刚度
与阻尼、啮合刚度与阻尼、齿侧间隙等参数对正交面齿轮传动系
统动态特性的影响[7~11],但关于面齿轮传动的摩擦动力学研究
较少。
面齿轮传动主要是应用于航空动力传动,航空动力传动的特
点是高速、重载[3,4]。为提高面齿轮传动的效率,减少面齿轮
传动的振动和噪声,使面齿轮传动满足航空动力传动的要求,本
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文对面齿轮传动中的摩擦力开展研究,着重分析了齿面摩擦系数
对面齿轮传动系统振动特性的影响。
1系统的非线性动力学模型
正交面齿轮传动系统的非线性动力学模型如图1所示。动力
学模型中的坐标系z轴与面齿轮的回转轴线方向一致,y轴沿面
齿轮的径向方向,根据y轴和z轴的坐标方向应用右手法则确定
坐标系的x轴。模型中考虑轮齿的弯曲振动与扭转振动,将两齿
轮处理为具有转动惯量的集中质量块,而轴承、支座等效处理为
弹性支撑,采用无质量的弹簧和阻尼器模拟。
根据正交面齿轮与圆柱齿轮啮合传动原理,模型中轮齿的啮
合力Fn在圆柱齿轮1上可分解为径向力F1z和圆周力F1x,在
面齿轮2上可分解为轴向力F2z和圆周力F2x,圆柱齿轮1不受
轴向的分力,使系统的支撑结构简单,振动自由度减少。根据正
交面齿轮传动系统的受力分析,系统中共有6个自由度,分别为
圆柱齿轮1沿OX1和OZ1方向的弯曲振动x1和z1,面齿轮2
沿OX2和OZ2方向的弯曲振动x2和z2,两齿轮分别绕轴线的
扭转振动θ1和θ2。
第4期李晓贞,等:齿面摩擦对面齿轮传动系统振动特性
的影响分析振动工程学报第27卷图1正交面齿轮传动系
统非线性动力学模型
Fig.1Nonlineardynamicmodeloffacegeartransmission
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system
2面齿轮传动系统的齿面啮合分析
根据Buckingham在其著作“AnalyticalMechanicsofGear”中
的介绍,面齿轮传动系统可视为变齿距和变压力角的齿条与渐开
线圆柱齿轮啮合传动。根据面齿轮啮合传动分析,在点接触面齿
轮传动系统中,在圆柱齿轮的节点P点处只有滚动没有相对滑
动,因此在节点P处没有滑动摩擦力(模型中不考虑滚动摩擦),
而在其他接触位置既有滚动又有滑动,故存在滑动摩擦力[2~4]。
在节点P处,主动圆柱齿轮与从动面齿轮的齿面相对速度为
0,且相对滑动的方向发生转换,因此在节点P的位置滑动摩擦
力为0,并在过节点P时,滑动摩擦力的方向发生改变。在啮合
传动中,摩擦力的方向与两啮合齿面相切,即与啮合线的方向垂
直,如图2所示。
结论
1)建立了包含摩擦系数的正交面齿轮动力学模型,并分析
了正交面齿轮传动系统中齿面摩擦力的大小和方向。
2)应用自适应步长的龙格库塔法求解包含摩擦力的面齿轮
动力学方程,分析了面齿轮传动系统随摩擦系数变换的分岔特性。
3)分析结果表明,摩擦系数对面齿轮传动系统的动态特性
影响较大,且随摩擦系数的增大,面齿轮传动系统的动态响应包
括:简谐振动、倍周期响应、4周期响应和混沌响应。
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4)可通过改变面齿轮传动系统的润滑状态,从而改变面齿
轮传动系
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