关键词：
柔性齿圈
啮合特性
结构特性
行星传动系统
结构振动
啮入冲击
摘要：
行星传动系统作为直升机主减速器上常用的一种功率分流齿轮传动系统,具有结构紧凑、重量轻、承载能力强等优点,其振动特性和噪声将直接影响航空飞行器的性能、工作可靠性及舒适性。内齿圈作为行星齿轮传动系统的关键部件,对行星传动系统的均载和动载特性具有至关重要的作用。柔性内齿圈行星轮系借助齿圈自身柔性,可显著补偿由于系统部件加工误差和安装误差所导致的各行星轮传递扭矩的不均匀性,进而提升系统的均载和动载性能。
本文首次从柔性内齿圈的加工仿真建模、啮合特性、结构特性、动力学特性、结构振动特性、啮入冲击特性、结构优化设计以及试验测试等方面对其进行了系统的理论和试验研究,本文的主要内容和研究成果如下:
(1)基于齿面加工仿真技术和齿轮啮合原理,采用空间坐标变换方法生成了精确的内外齿轮三维有限元网格模型,并构建了内啮合齿轮副线外啮入冲击解析模型。对比分析了传统全固定式内齿圈、L型柔性内齿圈及齿式柔性内齿圈在齿面接触应力、承载传动误差、啮入冲击特性及齿面载荷偏载特性上的差异,并给出了齿式柔性内齿圈的设计理念。
(2)深入分析了全固定式内齿圈、L型柔性内齿圈及齿式柔性内齿圈的结构特性,为设计出令行星轮系传动性能更加优良的齿圈结构提供理论支持。通过分析获得了L型柔性内齿圈的轮缘厚度、加强环厚度、加强环长度、延伸柔性圈厚度以及延伸柔性圈长度等与齿面接触应力与分布、齿面应力偏载、承载传动误差及结构固有频率间的规律。通过分析获取了齿式柔性内齿圈轮缘厚度、倾斜角、卡槽个数与齿面接触应力、齿面载荷偏载及承载传动误差间的规律。
(3)基于集中质量法详细分析了行星传动系统各构件间相对位置及运动关系,构建了行星传动系统的动力学仿真模型,并于模型中综合考虑了内外齿轮副时变啮合刚度、构件制造误差及安装误差、齿侧间隙、机构浮动等激励。随后,对比分析了在相同工况下分别采用全固定式内齿圈、L型柔性内齿圈及齿式柔性内齿圈后行星传动系统的均载系数和动载系数变化。此外,整理总结了目前文献中关于系统均载系数和动载系数定义的差异性,并指出了各定义的优缺点。同时,还建立了考虑内外啮合副各轮齿误差差异性的行星传动系统啮入冲击动力学模型,获得了分别采用全固定式、L型及齿式内齿圈时系统啮入冲击对行星传动系统均载和动载性能的影响。
(4)构建了内齿圈结构振动与集中质量系统振动相互耦合的行星传动系统仿真模型,进一步了解柔性内齿圈结构振动特性及其对系统动态特性的影响,该模型解决了现有文献中采用集中质量法时无法准确引入各构件柔性的结构振动以及有限元方法计算量庞大和收敛困难的问题,并且避免了现有文献中刚柔耦合模型存在无法准确设置轮齿间啮合刚度,无法真正考虑轮齿实际啮合状态并存在刚性接触所致的啮合力波动混乱等问题。随后,分类讨论分析了L型柔性内齿圈和齿式柔性内齿圈的各阶固有振动类型、节径型振动特性、节圆型振动特性、节径与节圆耦合型振动特性、结构振型与行星轮个数的关系、结构振型对系统均载和动载的影响、结构振型与齿面接触应力的关系以及结构振型对系统工况选择的影响。
(5)均载性能和动载性能是衡量行星传动系统性能的两项重要指标。齿圈结构柔性的提升有助于改善系统均载性能,承载传动误差波动幅值的降低则可抑制系统的动载系数。考虑到实际工况对于提升系统均载性能的需求,因此寻求可最大限度提升系统均载性能并兼顾齿面接触特性的柔性内齿圈结构参数显得至关重要。考虑到柔性内齿圈的结构变量与啮合特性间表现为非线性隐式关系,齿圈结构柔性与齿面接触特性间存在矛盾关系,而与承载传动误差波动幅值则存在相关性,难以用精确的数学函数表达。对结构变量的任何修改均需进行大量的有限元数值模拟,则将消耗过多的时间和人力成本。因此,借助响应面设计方法构建了柔性内齿圈啮合特性与结构变量间的准确的回归关系,从而成功获得了所需的最优结构参数,为柔性内齿圈的结构优化设计提供便利。此外,结合双向修形理论对行星传动系统内、外啮合齿轮副予以修形处理以降低承载传动误差幅值提升系统动载性能,进而保证了柔性内齿圈结构具备优良均载性能的同时兼顾其动载性能。
(6)自主设计了一种方便、实用且具有较高精度的行星齿轮传动系统均载和动载系数的测量方法,并成功搭建了试验平台准确获取了系统均载系数及动载系数,为解决行星齿轮传动系统均载和动载系数的实际测量问题提供了良好的途径。采用内齿圈齿根粘贴应变片以组成行星轮传递扭矩传感器,可供行星齿轮传动系统试验测量扭矩信号的输出以及采样、存储、处理,具有方便、精确和防止信号传递中的干扰因素等显著优点。结合测量方法推导了试验中均载系数与动载系数的计算方法,并完成了L型柔性内齿圈行星传动系统均载与动载性能的测量和分析,且测量结果与文中仿真结果进行了对比验证。此外,成功地由试验应变信号中分离出了轮齿间的啮入冲击信号,为啮入冲击理论模型提供验证
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