人字齿轮具有高重合度、低轴向力、高承载能力和平稳传动等特点,广泛应用于能源装备、大型船舶、高速航空航天器等重要传动装置。啮合刚度是齿轮系统内部激励与动力学模型的关键参量,与模数、重合度、误差、修形量等设计参数有关。对于高载荷人字齿轮传动,研究其啮合刚度、动态特性及由此引起的结构失效尤为重要。研究显示,随接触位置改变的啮合刚度是齿轮噪声的主要来源,是动力学分析和动强度计算的基础。本文基于有限单元法研究人字齿轮的静态接触特性及高速、重载下齿轮的动态啮合特性;计算标准安装的时变啮合刚度,分析安装误差、对中误差及齿廓与鼓形修形对啮合刚度的影响。主要研究内容如下:(1)人字齿轮有限元接触分析。根据展成加工原理,推导齿廓和齿面方程。求解方程,基于CATIA对齿面数据点进行拟合,建立人字齿轮几何模型。将该模型导入到ABAQUS中,建立齿轮有限元模型,并进行有限元静态接触分析和高速重载下的动态接触分析。得到各种工作环境下齿轮的转速、齿面接触应力、齿根弯曲应力、接触力、接触面积等的变化规律,分析齿轮的啮合特性。(2)标准人字齿轮啮合刚度的计算。采用有限单元法计算齿轮的啮合刚度,采用有限元静态接触分析得到法向接触力与综合弹性变形量,计算单齿啮合刚度与多齿综合啮合刚度。采用解析法计算人字齿轮的啮合刚度并与有限元法的结果进行对比,发现两种方法计算得到的啮合刚度基本相同。验证了有限单元法计算人字齿轮啮合刚度的正确性。(3)含误差人字齿轮啮合刚度的计算。建立含安装误差和对中误差的人字齿轮有限元模型,计算齿轮的啮合刚度。分析了多种误差类型对啮合刚度的影响。结果表明,误差使得齿面载荷分配不均导致啮合刚度减小;且刚度随着误差值的增大而减小。(4)含修形人字齿轮啮合刚度的计算。建立含齿廓修形和鼓形修形的人字齿轮有限元模型,计算齿轮的啮合刚度,并研究了两种修形对啮合刚度的影响。结果显示,修形量较小时啮合刚度比未修形时大,但随着修形量的增大,刚度的增幅会减小;修形量较大时,啮合刚度比未修形时小。