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齿轮传动系统是机械设备中的重要部件,齿轮系统的运行状态往往直接影响整个机械设备的运行状态。本文以齿轮裂纹故障模拟试验台为研究对象,建立齿轮系统有限元模型,分析不同深度的齿根裂纹故障,及在齿宽方向上不同穿透程度的非穿透型齿根裂纹和分度圆裂纹故障,对齿轮啮合刚度和系统动态特性的影响,并通过试验的方法进行验证。主要研究内容如下:(1)通过有限元法、材料力学能量法原理,分别分析健康齿轮的啮合刚度。两种分析方法相对比可知,有限元法的计算结果稍小于能量法的计算结果。接着,利用ISO6336-1:2006计算出齿轮啮合刚度均值与单齿啮合刚度最大值,与有限元法、能量法进行对比。(2)考虑含裂纹故障齿轮对啮合刚度的影响,建立含不同深度的齿根裂纹齿轮有限元模型,分析不同深度的齿根裂纹对啮合刚度的影响。同时,利用裂纹尖端到单齿中线的距离与1/2齿顶圆齿厚的关系把齿根裂纹模型分为三种情况,利用能量法原理分析出不同裂纹深度下的啮合刚度,验证了有限元法计算裂纹故障齿轮啮合刚度的有效性。为了更加接近工程实际,考虑非穿透型裂纹对啮合刚度影响,建立非穿透型齿根裂纹及分度圆处裂纹有限元模型,分析在齿宽方向上不同穿透程度的齿根裂纹及分度圆裂纹齿轮的啮合刚度。(3)根据断裂力学的相关原理,分析齿根裂纹的扩展过程。建立齿根裂纹有限元模型,利用ANSYS有限元软件模拟齿根裂纹在深度方向和齿宽方向的扩展过程。在分析出裂纹尖端附近的应力强度因子的基础上计算出裂纹的开裂角,从而逐步确定了齿根裂纹的扩展路径。(4)考虑含裂纹故障齿轮对系统动态特性的影响,在有限元法分析出裂纹故障齿轮啮合刚度的基础上,建立齿轮系统动力学模型,采用集中参数法分析不同裂纹类型对齿轮系统动态特性的影响。分析出不同裂纹深度的齿根裂纹、不同穿透程度的非穿透型齿根裂纹和分度圆裂纹对系统振动响应及加速度响应的影响。然后,根据试验实测信号与仿真信号对比,验证了仿真结果的有效性。