齿轮箱作为一种重要的动力传达设备,其本身有着传动效率高、传递误差小、受载能力强等优点。目前,大到航空航天、机械制造工业、农业生产,小到交通工具、日常家电设备,都与其有着紧密的联系,并被诸多领域广泛应用。同时随着科学技术的进步,生产水平的不断提高,齿轮箱也越来越向高速、复杂工况、重载方向发展,这对齿轮箱的设计发展提出了更高要求。在实际生产过程中,齿轮箱往往由于工况复杂、频繁承受冲击载荷等原因,齿轮往往经过磨损——早期齿根裂纹——齿根裂纹扩展——轮齿断裂故障过程。严重影响齿轮箱稳定运行和生产安全,那么当齿轮出现早期齿根裂纹的过程中,其力学特性有何变化,如何有效监测在齿根裂纹故障存在时齿轮箱体振动响应变化态势,成为齿轮箱故障诊断研究的主要方向。本文主要采用数值建模分析、有限元模态分析、动力学理论分析、实验分析等手段,以美国Spectra Quest公司提供的齿轮箱动力学模型实验台中的平行轴齿轮箱系统为研究对象,对其进行了含齿根裂纹的齿轮时变啮合刚度仿真、齿轮箱系统模态分析、含齿根裂纹的齿轮箱刚柔耦合动力学分析以及齿根裂纹对箱体振动的影响分析与振动信号特征值的提取分析研究,通过仿真模拟以及实验分析对齿轮箱动力学特性和故障特征进行了分析和验证。本文做了如下工作:(1)齿轮时变啮合刚度分析仿真。根据材料力学建立的简化不均匀悬臂梁,应用MATLAB数值分析软件,分析了齿轮啮合过程中随转角变化的齿轮啮合刚度,得到了不同齿根裂纹长度以及倾角对齿轮啮合刚度及轮齿接触变形的曲线图。(2)平行轴齿轮箱模型的建立。利用SolidWork三维建模软件对齿轮箱各零部件建立三维实体模型,通过装配并进行了干涉检查。(3)平行轴齿轮箱有限元分析。通过ANSYS有限元分析软件,分别对箱体和传动系统进行了模态分析,分析齿轮箱运行后箱体响应敏感区域,为后面的动力学分析箱体振动信号得选取和实验验证提供了方向。(4)刚柔耦合模型的建立。针对齿轮齿根裂纹的存在对齿轮箱系统动力学的影响,通过ANSYS软件对含有齿根裂纹的齿轮以及箱体进行柔性体生成,在ADAMS进行刚柔耦合模型的组建,得到不同程度齿根裂纹对齿轮箱系统的动力学响应结果。(5)含齿根裂纹故障的箱体响应试验。借助实验室中的齿轮箱动力学模型实验台,设计了针对含不同程度齿根裂纹故障的平行轴齿轮箱实验,进行了振动信号采集分析,通过提取振动信号中的特征值,得到了齿根裂纹故障发展过程的规律。