圆柱直齿轮副是机械装置中常用的关键传动部件,常因齿面的周期性载荷和疲劳磨损出现齿根裂纹故障,导致齿轮副振动和噪声增大,严重影响机械系统的工作性能,需要及时检测。但齿轮副的工作环境存在随机振动和白噪声等因素,易使齿轮副的振动频谱中出现杂频,淹没故障信号,不利于对齿轮副裂纹故障的识别。针对齿轮副齿根裂纹故障的振动信号,采用小波变换对信号进行分解与重构;建立基于双树复小波的降噪模型,实现对振动信号的有效降噪,形成了齿轮副裂纹故障检测方法。实验验证表明,该方法的降噪效果优于常用的硬阈值函数小波降噪和软阈值函数小波降噪算法,可较为准确地判断出齿轮箱的故障类型,为圆柱直齿轮副的状态判别提供科学依据。

作为机械装备中的关键传动机构,渐开线直齿轮在啮合传动过程中,受极端工况影响,轮齿表面极易引发剥落缺陷,改变齿轮副啮合刚度,严重影响其工作性能和传动效率。针对轮齿表面剥落形貌演变过程中的齿轮副啮合刚度,以拓展后边缘线与原矩形剥落边缘线夹角描述剥落故障演变,结合势能法构建了含剥落故障齿轮副的啮合刚度计算模型。结果表明,当齿轮副发生齿面剥落时,会使剥落区域参与的啮合区间啮合刚度减小,并且随着剥落参数的增大,齿轮啮合刚度减小趋势增大;当剥落区域沿齿轮副轴向中心面不对称时,齿轮易发生扭转变形而产生扭转刚度;同时,由于摩擦力存在,剥落区域边缘会进一步拓展,使剥落区域的宽度增大,导致齿轮副时变啮合刚度曲线变化的区间范围增大。

提出了一种基于计算机仿真的解析法,用于量化齿轮副在不同齿轮故障情况下的时变啮合刚度。齿轮故障在影响齿轮副传动的同时往往也伴随着刚度的降低,时变啮合刚度是状态监测和啮合齿轮副动态特性描述的一项重要参数,势能法是计算时变啮合刚度最常用的分析方法之一。采用势能法研究了含裂纹齿轮、断齿和齿面剥落等3种故障情况对于齿轮啮合刚度的影响。结果表明,由于齿轮故障的存在,导致了时变啮合刚度的降低,进而影响了直齿轮副的振动响应。

时变啮合刚度(TVMS)是齿轮系统动力学研究中的重要参数变量之一,准确地模拟计算TVMS,对分析齿轮传动系统的振动、噪声等相关动力学性能响应指标至关重要。根据渐开线齿轮的啮合运动方程和几何位置关系,提出一种基于几何学和势能法作用的直齿轮副TVMS精确建模方法;实时、有效地分析标准渐开线齿廓的啮合极限边界条件,并结合势能法构建TVMS由物理模型向数学模型转变的计算分析模型;通过数值计算法精确地计算直齿轮副的TVMS,并进行了有限元验证及举例应用。研究表明,在满足齿轮设计承载容许范围内,应合理选取齿宽和轴径尺寸,且可通过两者进行TVMS的小幅度调整而实现刚度优化作用和提高转子系统抗挠度性能等,为后期进行齿轮系统动力学计算作基础性应用研究。

受装配工艺的影响,渐开线直齿轮副传动轴极易出现平行度误差,直接改变齿轮副时变啮合刚度变化规律,进而影响齿轮副的工作状态。为揭示平行度误差对啮合刚度的影响规律,文中采用势能法建立考虑传动轴平行度误差的齿轮副啮合刚度模型,研究平行度误差和齿面摩擦共同作用下的齿轮副啮合刚度变化规律。结果表明当传动轴出现平行度误差时,齿轮啮合传动时出现扭转变形,产生轮齿扭转刚度,导致齿轮副啮合刚度减小,且啮合刚度随着平行度误差增大而减小,而齿面摩擦直接影响直齿轮副双齿啮合区间和单齿啮合区间啮入阶段的啮合刚度,减小单齿啮合区间啮出阶段的啮合刚度。

考虑因轮齿受载弹性变形引起的轮齿延长啮合效应时，将使得啮合刚度随时间变化形式发生改变，而这一变化对于系统的动态特性产生重要影响。在考虑轮齿延长啮合时齿轮参数振动稳定性的变化情况，首先建立齿轮副参数振动分析模型，进而研究了系统稳定性分析方法，主要是状态转移矩阵的确定和稳定性判据；在此基础上，以实际应用的高速重载齿轮副为例讨论了延长啮合与否系统稳定区间的变化情况，同时还考虑了系统阻尼的影响。研究结果表明：轮齿延长啮合作用使得低转速和高转速范围内的各不稳定区减小，而对于中等转速范围内，考虑延长啮合使得不稳定区变大。

该文以变位直齿轮副的齿顶修形为研究对象,考虑齿轮啮合的非线性接触、修正基体刚度以及延长啮合的影响,建立了考虑齿顶修形的变位直齿轮副时变啮合刚度解析模型,并通过有限元方法验证了该模型的正确性;以对刚度进行快速傅里叶变换(FFT)得到的前五阶幅值之和最小为设计目标,获得了齿顶修形的最优参数范围,并通过有限元模型进行应力分析,反证了该范围的正确性。研究结果表明基于啮合刚度FFT前5阶幅值之和最小的设计方法可以更为高效地计算并锁定最优修形参数的范围,通过有限元进行应力分析可进一步验证齿顶修形的最优参数;齿轮齿顶修形后,刚度谐波量和应力均明显减小,有助于降低齿轮系统的振动和噪声。研究结果可为变位直齿轮副齿顶修形设计提供理论方法与依据。

综合考虑轻微磨损故障和裂纹故障等因素,建立含故障的直齿轮副的非线性动力学模型,并利用4~5阶变步长Runge-Kutta法对含故障的直齿轮模型的动力学方程进行数值求解;得到了单级齿轮系统在无故障、轻微磨损故障和裂纹故障状态下系统的分岔图、相图和Poincaré映射图;研究了齿轮系统在无故障和故障时的动力学行为,研究结果为齿轮系统的故障诊断、动态设计和安全运行等提供了理论参考。

针对直齿轮副啮合过程存在时变摩擦问题,建立直齿轮副啮合模型,推导齿轮副在啮合点处的相对滑动速度、卷吸速度、滑滚比、综合曲率半径及轮齿接触压力,研究单双齿交替啮合过程中单齿承载变化下的齿面摩擦因数变化规律。基于势能法推导计及时变摩擦的直齿轮副啮合刚度解析式,分析无摩擦力、定摩擦力和时变摩擦力作用下直齿轮副啮合刚度的变化规律,进而研究时变摩擦作用下齿轮模数、齿宽、压力角、粗糙度、输入转矩等参数对直齿轮副时变啮合刚度的影响规律。研究结果表明,时变摩擦因数在单双齿交替啮合区发生突变,在节点处趋于0;摩擦力作用下单齿刚度在啮入阶段将增大,啮出阶段将减小;定摩擦力作用使啮合刚度在节点处发生突变;时变摩擦力作用使啮合刚度在单双齿交替啮合处发生突变,在节点处与无摩擦时变化规律一致;齿轮副啮合刚