剪刀齿轮的扭转刚度对齿轮系的动态响应特性及接触疲劳性能的研究

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当今社会,汽车噪声(Noise)、振动(Vibration)和声振粗糙度(Harshness)(简称NVH)性能越来越受到汽车驾驶人员的重视。汽车发动机和变速箱系统的振动反应作为汽车NVH最主要的激励端口,已经成为了所有大主机厂以及科学研究机构研究课题。齿轮传动是汽车变速箱中最主要的传动方式,因此齿轮传动结构系统的动力学振动响应直接影响了手动档汽车变速箱甚至整个车辆系统的NVH性能。本文主要研究了剪刀齿轮的扭转刚度对齿轮系的动态相应特性,首先构建了基于能量的齿轮啮合刚度计算模型,并在此基础上构建了齿轮系统的动力学模型,然后对不同刚度的剪刀齿轮对空压机后轴影响进行了模拟并研究其受力分布情况,最后将通过对模型的简化进行NVH性能测试和分析,本文的主要研究内容如下:(1)构建了基于赫兹接触能量、弯曲能量、剪切能量、以及轴向挤压能量下的啮合刚度计算公式。当啮合齿轮齿数分别为z1=z2=30和z1=z2=60时,本文提出的基本能量法啮合刚度模型的计算结果与ISO6336-1-2006标准的计算结果相对比,发现当主被动齿轮的齿数都等于30时,由基本能量法计算出的单齿啮合刚度相对较大,而当主被动齿轮的齿数都等于60时,仅考虑齿根过渡圆角变形的刚度计算模型与标准刚度比较小。(2)构建了二次标准圆柱齿轮的12自由度动力学模型的,提出了一种具有几何偏心误差的齿轮系统动力学模型,以确定是否存在偏心耦合的基础上建立了两个考虑和未考虑耦合项的动态模型。研究结论:通过微分方程通解的Runge-Kutta方法求解了有无耦合项的动力学模型,根据解决方案的结果发现考虑耦合项的模型优于未考虑耦合项的模型,耦合项仅对幅度调制有影响,耦合项对光谱中的相关峰的位置没有明显的影响。(3)模拟了不同刚度剪刀齿轮对空压机曲轴后齿轮影响规律。通过模拟对比曲轴后齿轮与进口和国产剪刀齿轮两齿轮的接触曲线可知,扭转刚度大的进口剪刀齿轮与曲轴后齿轮较好啮合,而刚度小的国产剪刀齿轮在啮合过程中存在较多不接触区,说明啮合齿轮之间相互撞击的现象较多。对比受力图中可知,与国产剪刀齿轮啮合过程中切片上最大受力为323N,与进口剪刀齿轮啮合过程中切片上最大受力为327N;对比齿面接触压力图可知,与国产剪刀齿轮啮合过程中切片上最大接触压力为905MPa,与进口剪刀齿轮啮合过程中切片上最大接触压力为911MPa。(4)通过简化模型进行了不同刚度板材振动力学和接触疲劳性能的分析。研究得出对不同刚度的自由振动衰减曲线的快速衰减响应,可以得到刚度越大的材料的起始振幅更小,并且振幅衰减的速度更快,表明更难由外部激振引起其自身振动。通过快速傅立叶变换(FFT)得到振动的功率密度函数(MSA)可以得出在相同的振动频率下刚度越大的材料的功率密度函数具有更低的响应数值。材料自身的刚度对其振动性能有直接影响。通过接触疲劳实验结果得到刚度较大的进口钢齿轮的磨损量明显小于刚度较小的国产钢齿轮,微观表面形貌也较为完整表明,表明刚度较大的齿轮其磨损量较小。
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