茍向鋒, 李谷雨, 朱凌云
(天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,天津 300387)
齒輪傳動(dòng)的振動(dòng)和噪聲嚴(yán)重影響其精度、承載能力和穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)中為防止輪齒卡死而預(yù)留的齒側(cè)間隙,決定了其傳動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)齒面嚙合、輪齒脫嚙和齒背接觸。齒輪副的重合度一般大于1.0,導(dǎo)致齒輪的嚙合齒數(shù)是時(shí)變的。二者綜合作用的結(jié)果使齒輪嚙合時(shí)存在單/雙齒齒面嚙合、輪齒脫嚙和單/雙齒齒背接觸等多種狀態(tài),造成輪齒沖擊,影響傳動(dòng)平穩(wěn)性。Gou等考慮齒輪副的多狀態(tài)嚙合特性,分別建立了直齒輪副[1]和面齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)[2]的非線性動(dòng)力學(xué)模型,為揭示齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性奠定了方法基礎(chǔ)。
錐齒輪齒廓結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其動(dòng)力學(xué)研究成果較少。Karray等[3]建立了一種單級(jí)錐齒輪動(dòng)力學(xué)模型,研究了齒輪局部損傷對(duì)動(dòng)力學(xué)特性的影響。Kiyono等[4]建立了一種兩自由度的錐齒輪副動(dòng)力學(xué)模型,分析了錐齒輪與直齒輪、斜齒輪的動(dòng)力學(xué)特性差異。Wang等[5]基于有限元法,建立了包含軸和軸承的錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。Cheng等[6-7]基于TCA方法得出了錐齒輪接觸點(diǎn)軌跡,建立了一種改進(jìn)的錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。Yassine等[8]分析了故障錐齒輪系統(tǒng)的動(dòng)力特性,并與無(wú)故障錐齒輪系統(tǒng)的動(dòng)力特性進(jìn)行比較。方宗德等[9]建立了包含時(shí)變剛度和誤差激勵(lì)的多自由度直齒錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。王三民等[10]建立了包含多種時(shí)變參數(shù)的八自由度弧齒錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。王立華[11]建立了含多種時(shí)變參數(shù)的12自由度弧齒錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,研究了其動(dòng)力學(xué)特性。蔣函成等[12]建立了考慮軸系和機(jī)匣柔性性的齒輪-轉(zhuǎn)子-機(jī)匣耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,推導(dǎo)了各類(lèi)齒輪副的嚙合關(guān)系。這些研究主要關(guān)注系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算、動(dòng)力學(xué)建模及非線性動(dòng)力學(xué)特性研究,未考慮重合度對(duì)系統(tǒng)嚙合特性的影響。
基于錐齒輪嚙合原理,利用微元法計(jì)算錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)變嚙合剛度和載荷分配率;建立含時(shí)變嚙合剛度、載荷分配率、綜合傳遞誤差和軸承支承的錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)多狀態(tài)嚙合動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)定義不同的Poincaré截面,研究嚙合頻率和綜合傳遞誤差對(duì)系統(tǒng)嚙合狀態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的影響,為系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。
錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性受時(shí)變參數(shù)計(jì)算模型準(zhǔn)確性的影響。由于錐齒輪齒廓較為復(fù)雜,現(xiàn)有研究計(jì)算其時(shí)變參數(shù)時(shí)都進(jìn)行了簡(jiǎn)化。本文基于錐齒輪嚙合原理利用微元法建立時(shí)變參數(shù)計(jì)算模型。
考慮齒側(cè)間隙和軸承支承的直齒錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化物理模型如圖1所示。p和g分別代表主動(dòng)輪和從動(dòng)輪,其當(dāng)量齒輪的基圓半徑為Rbj、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)位移為θj、慣性矩為Ij,扭矩為T(mén)j,k(τ)為時(shí)變嚙合剛度,Cm為嚙合阻尼系數(shù)。en(τ)為沿嚙合線方向的綜合傳遞誤差。2Dn為齒側(cè)間隙,kjl、Cjl和Djl分別為沿l方向的軸承支承剛度、軸承支承阻尼系數(shù)和軸承間隙。其中,j=p,g和l=X,Y,Z。
圖1 直齒錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化物理模型
表1為某汽車(chē)差速器中直齒錐齒輪傳動(dòng)部分的系統(tǒng)參數(shù)。其重合度為1.353,結(jié)合齒側(cè)間隙的影響,該直齒錐齒輪傳動(dòng)中存在單/雙齒齒面嚙合、輪齒脫嚙、單/雙齒齒背接觸等五種嚙合狀態(tài)。
表1 汽車(chē)差速器中直齒錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)
設(shè)δp和δg分別為主、從動(dòng)輪的節(jié)錐角,Xj、Yj、Zj(j=p,g)分別為兩齒輪沿X、Y、Z方向的振動(dòng)位移,αn為兩齒輪的壓力角,F(xiàn)n和Ff為嚙合點(diǎn)上的正壓力和摩擦力,F(xiàn)nl和Ffl(l=X,Y,Z)分別為其沿l方向的分量,則齒輪副沿嚙合點(diǎn)法向的相對(duì)位移如式(1)所示。
(1)
式中:a1=cosδpsinαn、a2=cosδgsinαn、a3=sinδpsinαn、a4=sinδgsinαn、a5=cosδpsinαn、a6=cosδgsinαn;rp和rg分別為嚙合點(diǎn)到兩輪齒旋轉(zhuǎn)中心的距離。
錐齒輪嚙合點(diǎn)處的正壓力Fn和摩擦力Fnl及其分量可由式(2)獲得[13]。
(2)
齒輪嚙合剛度是影響齒輪承載能力及動(dòng)力學(xué)特性的重要參數(shù)。錐齒輪嚙合剛度主要采用Tredgold近似,即利用微元法將錐齒輪齒廓沿齒寬方向簡(jiǎn)化為無(wú)數(shù)個(gè)微元近似求解。在Lafi等[14]研究基礎(chǔ)上,引入了輪齒基體剛度,建立直齒錐齒輪嚙合剛度計(jì)算模型。
微元齒輪的嚙合剛度ko包括赫茲接觸剛度kho,輪齒基體剛度kfo,彎曲剛度kbjio,軸向壓縮剛度kajio,剪切剛度ksjio(i=1,2;j=p,g),分別可由式(3)~(7)得到。
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
式中:w=L*(uf/Sf)2+P*(1+Q*tan2α)+M*(uf/Sf);q=cosσjio[l1/Rbjo+cosθjo-cosα+(θjo-α)sinα]-h1sinσjio/Rbjo;E和ν分別為楊氏模量和泊松比;σjio為沿齒寬方向第o個(gè)微元齒輪嚙合線與齒中心線的夾角;θjo=0.5π/zjo+invα為沿齒寬方向的第o個(gè)微元齒輪的齒角半值;Nj為沿齒寬方向微元齒輪的數(shù)量;直齒錐齒輪嚙合剛度可由式(8)獲得。
(8)
根據(jù)重合度可將齒廓嚙合區(qū)域分為單齒嚙合區(qū)BC、雙齒嚙合區(qū)AB和CD。則齒輪的單/雙齒嚙合時(shí)間分別為tAB=tCD=(εm-1)T0,tBC=(2-εm)T0,其中,T0=tAC=2π/(ωPzP)為單雙齒嚙合交替時(shí)間[1]。假定齒背接觸時(shí)的嚙合剛度與齒面嚙合時(shí)相同,表1所示直齒錐齒輪副的嚙合剛度如圖2所示。
圖2 直齒錐齒輪時(shí)變嚙合剛度
直齒錐齒輪副的重合度一般大于1.0,齒輪在嚙合時(shí)會(huì)出現(xiàn)多對(duì)齒同時(shí)嚙合,導(dǎo)致載荷在嚙合輪齒間的分配,則載荷分配率不可忽視。目前尚無(wú)其計(jì)算方法的報(bào)道。根據(jù)文獻(xiàn)[15-16]中斜齒輪載荷分配率的求解方法,將錐齒輪輪齒沿齒寬方向分為無(wú)數(shù)個(gè)微元齒輪,結(jié)合最小勢(shì)能法建立直齒錐齒輪載荷分配率模型。
齒輪的總勢(shì)能U由微元齒輪的勢(shì)能Uo疊加得到,如式(9)所示。
(9)
微元齒輪的彎曲勢(shì)能Ubjio、壓縮勢(shì)能Uajio和剪切勢(shì)能Usjio(i=1,2;j=p,g)可分別由式(10)~(12)得到。
(10)
(11)
(12)
微元齒輪的勢(shì)能Uo可由式(13)得到。
(13)
根據(jù)彈性勢(shì)能原理和拉格朗日方法,可得直齒錐齒輪載荷分配率如式(14)所示。
(14)
式中,νs表示輪齒的逆單位勢(shì)能。包含多狀態(tài)嚙合特性的直齒錐齒輪載荷分配率模型如式(15)所示。
(15)
式中,Ld(τ)和Lk(τ)分別為齒面嚙合狀態(tài)和齒背接觸狀態(tài)下的載荷分配率。計(jì)算表1所示錐齒輪副的載荷分配率如圖3所示,圖3中實(shí)線代表第i嚙合齒對(duì)的載荷分配率,AB段和CD段虛線分別代表第i-1和i+1嚙合齒對(duì)的載荷分配率。
圖3 直齒錐齒輪載荷分配率
直齒錐齒輪副嚙合可視為嚙合點(diǎn)法面(背錐面)上兩個(gè)當(dāng)量齒輪嚙合。其齒面嚙合狀態(tài)和齒背接觸狀態(tài)及受力如圖4所示。齒面嚙合時(shí),主動(dòng)輪沿嚙合線N1N2推動(dòng)從動(dòng)輪;齒背接觸時(shí),從動(dòng)輪齒背齒廓沿嚙合線M1M2推動(dòng)主動(dòng)輪。FNpi、FNgi分別為沿嚙合線N1N2、M1M2的正壓力分力,F(xiàn)fpi、Ffgi分別為垂直于嚙合線N1N2、M1M2的摩擦力分力。由錐齒輪嚙合原理可知:假定N1→N2或M1→M2為正壓力的正方向,則FNg1+FNg2>0時(shí)為齒面嚙合,F(xiàn)Ng1+FNg2<0時(shí)為齒背接觸;FNg1+FNg2=0時(shí)為輪齒脫嚙。則,齒面嚙合時(shí)Xn>Dn,齒背接觸時(shí)Xn<-Dn,輪齒脫嚙時(shí)-Dn≤Xn≤Dn?;诩匈|(zhì)量法和牛頓第二定律,可得多狀態(tài)嚙合時(shí)直齒錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的彎-扭-軸動(dòng)力學(xué)模型。
(16)
式中,±和?中上方的符號(hào)表示齒面嚙合,下方的符號(hào)表示齒背接觸。FNpi=FNgi=Lci(τ)Fn、Ffpi=Ffgj=λci(τ)Lci(τ)μcFn(c=d,k),d代表齒面嚙合,k代表齒背接觸,mjl(j=p,g;l=X,Y,Z)為沿l方向的集中質(zhì)量,λci(c=d,k;i=1,2)為第i個(gè)嚙合齒對(duì)的摩擦力方向系數(shù),μc(c=d,k;i=1,2)為輪齒表面的摩擦力系數(shù)。
(a) 齒面嚙合
由式(2)可求得直齒錐齒輪正壓力和摩擦力沿坐標(biāo)軸方向的分力,如式(17)~(18)所示。
(17)
(18)
式中:λci(τ)=sign[vci(τ)];vci(τ)(c=d,k;i=1,2)為輪齒的相對(duì)滑動(dòng)速度,如式(19)所示;Scji(τ)(c=d,k;i=1,2;j=p,g)為兩齒輪的摩擦力臂,如式(20)~(22)所示;sign為符號(hào)函數(shù)。
式中:Scj2(τ)=Scj1(τ+T0)(c=d,k);rbj(j=p,g)為兩齒輪齒寬中部的基圓半徑;Rbj=rbj/cosδj(j=p,g),Rag為從動(dòng)輪齒頂圓半徑;兩齒輪的壓力角αcji(τ)和嚙合點(diǎn)到兩輪齒旋轉(zhuǎn)中心的距離Rcji(τ)Scji(τ)(c=d,k;i=1,2;j=p,g)可由式(23)~(25)得到。
αcj1(τ)=arccos[Rbj/Rcj1(τ)]
(23)
(24)
αcj2(τ)=αcj1(τ+T0),Rcj2(τ)=Rcj1(τ+T0)
(25)
整理式(16)~(25),可得直齒錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)彎-扭-軸無(wú)量綱歸一化動(dòng)力學(xué)方程。
(26)
軸承的無(wú)量綱化間隙函數(shù)如式(27)所示。
(27)
式中,q代表xp、yp、zp、xg、yg、zg。rl(t,xn)(l=x,y,z)為沿l方向的嚙合狀態(tài)函數(shù),如式(28)~(29)所示;h(t,xn)為沿正壓力方向的嚙合狀態(tài)函數(shù),如式(30)所示。
rx(t,xn)=ry(t,xn)=
(28)
rz(t,xn)=
(29)
h(t,xn)=
(30)
系統(tǒng)中存在齒面嚙合、輪齒脫嚙和齒背接觸等嚙合狀態(tài)。為研究不同參數(shù)下各嚙合狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的影響,定義三個(gè)不同的Poincaré截面:
系統(tǒng)的多狀態(tài)嚙合行為可由符號(hào)N-P-Q表征,其中,N表示系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)周期數(shù),P表示輪齒脫嚙次數(shù),Q表示齒背接觸次數(shù),若P或Q為零,表明系統(tǒng)無(wú)輪齒脫嚙或齒背接觸。
(a) Γn
當(dāng)ω較小時(shí),系統(tǒng)為1-0-0運(yùn)動(dòng),完全齒面嚙合狀態(tài),無(wú)輪齒脫嚙和齒背接觸。當(dāng)ω增大至ω=0.73(A1)時(shí),系統(tǒng)相軌跡與x=D相切,此時(shí)相圖和時(shí)間歷程圖為圖6(a)和6(b)所示。當(dāng)ω增大至A1點(diǎn)右側(cè)時(shí),系統(tǒng)處于1-1-0運(yùn)動(dòng),系統(tǒng)依舊為周期1運(yùn)動(dòng),但出現(xiàn)了輪齒脫嚙。當(dāng)ω增大至A2點(diǎn)時(shí),1-1-0運(yùn)動(dòng)經(jīng)倍化分岔進(jìn)入2-2-0運(yùn)動(dòng),系統(tǒng)相軌跡兩次穿越齒側(cè)間隙邊界,此時(shí)對(duì)應(yīng)的TLE值接近0。
當(dāng)ω增加到A3點(diǎn)時(shí),2-2-0運(yùn)動(dòng)經(jīng)逆倍化分岔退化為1-1-0運(yùn)動(dòng),其對(duì)應(yīng)的TLE值近似為0,之后經(jīng)鞍結(jié)分岔進(jìn)入混沌運(yùn)動(dòng),此時(shí)系統(tǒng)中同時(shí)存在齒面嚙合、輪齒脫嚙和齒背接觸三種運(yùn)行狀態(tài),其Poincaré映射圖和時(shí)間歷程圖如圖6(c)和6(d)所示。當(dāng)ω增大至A4點(diǎn)時(shí),系統(tǒng)經(jīng)鞍結(jié)分岔由混沌運(yùn)動(dòng)退化為1-1-0運(yùn)動(dòng),系統(tǒng)中齒背接觸消失。當(dāng)ω增大至A5點(diǎn)時(shí),1-1-0運(yùn)動(dòng)倍化為2-2-0運(yùn)動(dòng),此時(shí)系統(tǒng)中存在齒面嚙合和輪齒脫嚙兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)ω增大至A6點(diǎn)時(shí),系統(tǒng)相軌跡與x=D相切,2-2-0運(yùn)動(dòng)經(jīng)擦切分岔轉(zhuǎn)遷為2-1-0運(yùn)動(dòng),此時(shí)相圖和時(shí)間歷程圖為圖6(e)和6(f)所示。
該2-1-0運(yùn)動(dòng)在A7點(diǎn)經(jīng)鞍結(jié)分岔進(jìn)入混沌運(yùn)動(dòng),其對(duì)應(yīng)的TLE>0,此時(shí)Poincaré映射圖和時(shí)間歷程如圖6(g)和6(h)所示,混沌區(qū)域系統(tǒng)出現(xiàn)了齒面嚙合、輪齒脫嚙和齒背接觸三種運(yùn)行狀態(tài)。隨著ω增大,A8~A9點(diǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)了新的混沌運(yùn)動(dòng),其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與之前不同,此時(shí)Poincaré映射圖和時(shí)間歷程圖如圖6(i)和6(j)所示。
當(dāng)ω>2.2(A9點(diǎn)右側(cè))時(shí),系統(tǒng)經(jīng)逆倍化分岔序列由混沌運(yùn)動(dòng)退化為6-2-2運(yùn)動(dòng)。當(dāng)嚙合頻率增加到A10點(diǎn)時(shí),6-2-2運(yùn)動(dòng)逆倍化為3-1-1運(yùn)動(dòng),其對(duì)應(yīng)的TLE值發(fā)生了突變,此時(shí)Poincaré映射圖和時(shí)間歷程圖分別如圖6(k)和6(l)所示。
可見(jiàn),當(dāng)嚙合頻率較小時(shí),系統(tǒng)處于穩(wěn)定的齒面嚙合狀態(tài)。隨著嚙合頻率的增加,系統(tǒng)逐漸出現(xiàn)輪齒脫嚙,其運(yùn)動(dòng)類(lèi)型也由穩(wěn)定的周期1運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)遷為復(fù)雜的多周期運(yùn)動(dòng),在1倍頻和1.5倍頻附近系統(tǒng)表現(xiàn)為混沌運(yùn)動(dòng),且在混沌運(yùn)動(dòng)區(qū)域系統(tǒng)出現(xiàn)了齒背接觸狀態(tài),在2.2倍頻以后系統(tǒng)重新出現(xiàn)多周期運(yùn)動(dòng),但齒背接觸狀態(tài)依舊存在。隨著嚙合頻率的增加,系統(tǒng)多狀態(tài)嚙合行為和運(yùn)動(dòng)特性變得復(fù)雜,選擇合理嚙合頻率可獲得期望的運(yùn)動(dòng)特性。
取無(wú)量綱參數(shù)ω=0.73、F=0.1、ζ=0.05,其余參數(shù)取值與3.1相同,可得綜合傳遞誤差ε增大的三種Poincaré截面分岔圖和TLE圖如圖7。
(a) Γn
當(dāng)ε較小時(shí)(B1點(diǎn)左側(cè)),系統(tǒng)處于穩(wěn)定的1-0-0運(yùn)動(dòng),只存在齒面嚙合。ε增大至B1點(diǎn)時(shí),系統(tǒng)相軌跡與xn=D相切,1-0-0運(yùn)動(dòng)經(jīng)擦切分岔轉(zhuǎn)遷為1-1-0運(yùn)動(dòng),系統(tǒng)中出現(xiàn)了輪齒脫嚙,由于振動(dòng)幅值較小,所以系統(tǒng)單雙齒交替嚙合影響較為明顯,系統(tǒng)相軌跡出現(xiàn)波動(dòng),此時(shí)相圖和時(shí)間歷程圖為圖8(a)和8(b)所示。ε增大到B2點(diǎn),系統(tǒng)經(jīng)倍化分岔由1-1-0運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)遷為2-2-0,系統(tǒng)中存在齒面嚙合和輪齒脫嚙兩種運(yùn)行狀態(tài)。
隨著ε增大到B3點(diǎn)時(shí),系統(tǒng)經(jīng)擦切分岔由2-2-0運(yùn)動(dòng)退化為2-1-0運(yùn)動(dòng),系統(tǒng)相軌跡穿過(guò)齒側(cè)間隙的半值由之前的兩次減少為一次,此時(shí)相圖和時(shí)間歷程圖為圖8(c)和8(d)所示。當(dāng)ε增大到B4點(diǎn)時(shí),系統(tǒng)經(jīng)鞍結(jié)分岔由2-1-0運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)遷為混沌運(yùn)動(dòng),混沌區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)出現(xiàn)齒面嚙合、輪齒脫嚙和齒背接觸三種運(yùn)行狀態(tài),此時(shí)相圖和時(shí)間歷程圖為圖8(e)和8(f)所示。
可見(jiàn),隨著綜合傳動(dòng)誤差波動(dòng)幅值的增大,系統(tǒng)中逐漸出現(xiàn)了輪齒脫嚙和齒背接觸狀態(tài),其多狀態(tài)嚙合行為和運(yùn)動(dòng)特性變得復(fù)雜,穩(wěn)定性隨之惡化。因此,應(yīng)提高直齒錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的制造精度、減小綜合傳遞誤差,以提高其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。
考慮多狀態(tài)嚙合、載荷分配率、時(shí)變嚙合剛度和齒側(cè)間隙,建立了直齒錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)彎-扭-軸動(dòng)力學(xué)模型。采用微元法計(jì)算了載荷分配比和時(shí)變嚙合剛度?;赑oincaré映射理論和分岔理論,研究了嚙合頻率和綜合傳動(dòng)誤差對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。結(jié)論如下:
(1) 結(jié)合本文建立的直齒錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)彎-扭-軸動(dòng)力學(xué)模型和三種Poincaré截面,可以更加準(zhǔn)確地揭示系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。
(2) 根據(jù)直齒錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的嚙合原理,采用微元法計(jì)算的載荷分配率和時(shí)變嚙合剛度相比傳統(tǒng)方法計(jì)算更加準(zhǔn)確,更能反映系統(tǒng)參數(shù)的運(yùn)行規(guī)律。
(3) 當(dāng)嚙合頻率較小時(shí),系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)特性和動(dòng)態(tài)嚙合特性簡(jiǎn)單且穩(wěn)定,隨著嚙合頻率的增加,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)嚙合特性變得非常復(fù)雜;隨著綜合傳動(dòng)誤差波動(dòng)幅值的增大,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性變得越來(lái)越復(fù)雜,系統(tǒng)的傳動(dòng)平穩(wěn)性也隨之惡化。