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考虑不同剥落形状下的时变啮合刚度分析

郑朋 刘帅 于印鑫 张颖娴

郑朋, 刘帅, 于印鑫, 张颖娴. 考虑不同剥落形状下的时变啮合刚度分析[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(6): 870-879. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200162
引用本文: 郑朋, 刘帅, 于印鑫, 张颖娴. 考虑不同剥落形状下的时变啮合刚度分析[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(6): 870-879. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200162
ZHENG Peng, LIU Shuai, YU Yinxin, ZHANG Yingxian. Analyzing Time-varying Meshing Stiffness with Different Spalling Shapes Considered[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(6): 870-879. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200162
Citation: ZHENG Peng, LIU Shuai, YU Yinxin, ZHANG Yingxian. Analyzing Time-varying Meshing Stiffness with Different Spalling Shapes Considered[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(6): 870-879. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200162

考虑不同剥落形状下的时变啮合刚度分析

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200162
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51465021

国家自然科学基金项目 51675251

详细信息
    作者简介:

    郑朋(1991-), 硕士研究生, 研究方向传动系统动力学, zhengp_650500@163.com

    通讯作者:

    于印鑫, 讲师, 硕士生导师, yuyinxin110004@126.com

  • 中图分类号: TH132.413

Analyzing Time-varying Meshing Stiffness with Different Spalling Shapes Considered

  • 摘要: 考虑斜齿轮副端面重合度大于轴向重合度时的单齿啮合接触线表达式, 针对行星轮系统中啮合齿轮中基圆大于齿根圆的情况, 建立斜齿轮变截面悬臂梁模型, 采用势能法、切片法和自适应递推复合Lobatto数值积分法求解斜齿轮时变啮合刚度, 通过与有限元方法及经验法进行对比, 验证所建模型的可行性。在此基础上, 分析了不同长度、宽度、径向位置(齿根到齿顶)的剥落故障及不同剥落形状对时变啮合刚度的影响, 研究结果表明: 不同剥落长度对斜齿轮副在剥落区域的啮合位置影响较为明显; 随着剥落宽度的增加, 时变啮合刚度线性降低, 不同径向位置剥落, 在越靠近齿根的位置对时变啮合刚度影响越大; 不同剥落形状下, 三角形和圆形剥落引起时变啮合刚度非线性降低, 四边形剥落使时变啮合刚度线性降低。
  • 图  1  轮齿剥落示意图

    图  2  斜齿轮变截面悬臂梁模型

    图  3  基体弹性模型各参数示意图

    图  4  斜齿轮啮合展开面

    图  5  文献[11]斜齿轮副接触线变化示意图

    图  6  考虑重合度斜齿轮副接触线变化示意图

    图  7  斜齿轮多齿啮合时总接触线曲线

    图  8  分度圆螺旋面展开示意图

    图  9  斜齿轮副时变啮合刚度曲线

    图  10  齿轮啮合原理图

    图  11  考虑基圆与齿根圆部分的啮合刚度曲线

    图  12  未考虑接触线时总时变啮合刚度曲线

    图  13  考虑接触线时总时变啮合刚度曲线

    图  14  斜齿轮有限元接触模型

    图  15  不同转角下时变啮合刚度

    图  16  四边形剥落平面示意图

    图  17  不同剥落长度对时变啮合刚度的影响

    图  18  不同剥落宽度对时变啮合刚度的影响

    图  19  不同轴向位置剥落对时变啮合刚度的影响

    图  20  不同径向位置对时变啮合刚度的影响

    图  21  三角形剥落平面

    图  22  圆形剥落平面

    图  23  不同剥落形状对时变啮合刚度影响

    表  1  多项式中各参数的值

    系数 L* M* P* Q*
    Ai -5.574×10-5 60.111×10-5 -50.952×10-5 -6.2042×10-5
    Bi -1.9986×10-3 28.100×10-3 185.50×10-3 9.0889×10-3
    Ci -2.3015×10-4 -83.431×10-4 0.0538×10-4 -4.0964×10-4
    Di 4.7702×10-3 -9.9256×10-3 53.300×10-3 7.8297×10-3
    Ei 0.0271 0.1624 0.2895 -0.1472
    Fi 6.8045 0.9086 0.9236 0.6904
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    表  2  基体变形中各参数的值

    齿轮 L* M* P* Q*
    太阳轮 6.882 1 1.085 8 3.415 5 0.531 5
    行星轮 6.877 4 1.037 2 3.165 3 0.567 2
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    表  3  齿轮的基本参数

    参数 太阳轮(被动轮) 行星轮(主动轮)
    模数mn/mm 15 15
    压力角α0/(°) 20 20
    螺旋角β/(°) 7.5 7.5
    齿数Z 18 34
    齿宽/mm 345 345
    总切片数N 120 120
    总重合度ε 2.546 2.546
    半径比h 1.69 1.4
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    表  4  不同方式得到的时变啮合刚度最大值比较

    方法 啮合刚度最大值/1010 (N·m-1) 误差/%
    经验法 - -
    有限元法 2.123 0
    本文 2.079 2.1
    仅考虑齿宽 2.193 25 3.2
    重合度建立接触线 2.236 79 5.0
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    表  5  不同方式得到的时变啮合刚度最小值比较

    方法 啮合刚度最小值/1010 (N·m-1) 误差/%
    经验法 - -
    有限元法 1.998 0
    本文 1.976 1.1
    仅考虑齿宽 2.101 43 4.9
    重合度建立接触线 2.124 15 5.9
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    表  6  不同方式得到的平均啮合刚度比较

    方法 平均啮合刚度/1010 (N·m-1) 误差/%
    经验法 2.030 5 0
    有限元法 2.059 5 1.4
    本文 2.027 5 0.15
    仅考虑齿宽 2.147 34 5.4
    重合度建立接触线 2.180 47 7.3
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  • [1] TIAN X H. Dynamic simulation for system response of gearbox including localized gear faults[D]. Edmonton: University of Alberta, 2004
    [2] 赵树滨, 洪荣晶, 陈捷, 等. 势能法计算剥落故障齿轮时变啮合刚度[J]. 机械设计与制造, 2014(10): 171-173, 176 doi: 10.3969/j.issn.1001-3997.2014.10.051

    ZHAO S B, HONG R J, CHEN J, et al. Spalling on time-varying mesh stiffness calculation based on potential energy method[J]. Machinery Design & Manufacture, 2014(10): 171-173, 176 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-3997.2014.10.051
    [3] 谭自然. 不同失效形式下齿轮副动态接触特性及时变刚度分析[D]. 重庆: 重庆大学, 2017

    TAN Z R. Analysis of dynamic contact characteristic and time-varying stiffness of gear pair under different failure modes[D]. Chongqing: Chongqing University, 2017 (in Chinese)
    [4] 郑红玲. 齿轮剥落动力学建模与智能轴承信号的故障诊断方法研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2018

    ZHENG H L. Research on dynamic modeling of gear spalling and fault diagnosis of intelligent bearing signal[D]. Chongqing: Chongqing University, 2018 (in Chinese)
    [5] SAXENA A, PAREY A, CHOUKSEY M. Time varying mesh stiffness calculation of spur gear pair considering sliding friction and spalling defects[J]. Engineering Failure Analysis, 2016, 70: 200-211
    [6] MARQUES P, MARTINS R, SEABRA J. Analytical load sharing and mesh stiffness model for spur/helical and internal/external gears-towards constant mesh stiffness gear design[J]. Mechanism and Machine Theory, 2017, 113: 126-140 doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2017.03.007
    [7] MA H, ZENG J, FENG R J, et al. An improved analytical method for mesh stiffness calculation of spur gears with tip relief[J]. Mechanism and Machine Theory, 2016, 98: 64-80 doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2015.11.017
    [8] FENG M J, MA H, LI Z W, et al. An improved analytical method for calculating time-varying mesh stiffness of helical gears[J]. Meccanica, 2018, 53(4-5): 1131-1145 doi: 10.1007/s11012-017-0746-6
    [9] CHEN K K, MA H, CHE L Y, et al. Comparison of meshing characteristics of helical gears with spalling fault using analytical and finite-element methods[J]Mechanical Systems and Signal Processing, 2019, 121: 279-298 doi: 10.1016/j.ymssp.2018.11.023
    [10] WAN Z G, CAO H R, ZI Y Y, et al. Mesh stiffness calculation using an accumulated integral potential energy method and dynamic analysis of helical gears[J]. Mechanism and Machine Theory, 2015, 92: 447-463 doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2015.06.011
    [11] YANG W, HUANG Y L, SUN H. An improved method to calculate the meshing stiffness of helical gear[J]. Advanced Materials Research, 2012, 482-484: 1285-1289 doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.482-484.1285
    [12] 刘文, 李锐, 张晋红, 等. 斜齿轮时变啮合刚度算法修正及影响因素研究[J]. 湖南大学学报: 2018, 45(2): 1-10 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HNDX201802001.htm

    LIU W, LI R, ZHANG J H, et al. Study on correction algorithm of time-varying mesh stiffness of helical gears and its influencing factors[J]. Journal of Hunan University, 2018, 45(2): 1-10 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HNDX201802001.htm
    [13] SAINSOT P, VELEX P, DUVERGER O. Contribution of gear body to tooth deflections-a new bidimensional analytical formula[J]. Journal of Mechanical Design, 2004, 126(4): 748-752 doi: 10.1115/1.1758252
    [14] JIANG H J, SHAO Y M, MECHEFSKE C K. Dynamic characteristics of helical gears under sliding friction with spalling defect[J]. Engineering Failure Analysis, 2014, 39: 92-107 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350630714000193
    [15] KLEIN M A. An experimental investigation of materials and surface treatments on gear contact fatigue life[D]. Columbus: The Ohio State University, 2009
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  • 收稿日期:  2019-12-03
  • 刊出日期:  2021-06-01

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