环板式针摆行星传动动态特性的理论与实验研究

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环板式针摆行星传动是在渐开线环板式减速器和传统的摆线减速器的基础上研制出的一种新型传动形式,具有传动效率高、承载能力大等诸多优点,在工程领域中有广泛的应用前景。其静态特性的研究已经达到一定的理论深度,但其动态特性的研究刚刚开始,成果很少,因而本文对其动态特性的理论与实验研究具有一定的重要意义。论文是国家自然科学基金项目“双曲柄环板式针摆行星传动动态响应优化设计及试验研究(No.50575030)”的一部分。本文在综合分析环板式针摆行星传动和齿轮传动非线性动态特性发展现状的基础上,采用理论分析与实验验证相结合的方法对该传动系统进行了动态特性研究。模态是系统动态特性分析的基础,通过模态分析预先估计零件在一定的频段内在外部或内部各种激励作用下的振动响应。本文采用有限元法和实验的方法对环板式针摆行星传动的典型零件进行了模态分析,同时采用有限元和传递矩阵方法,分析和计算了输入轴系的固有频率,为后续动态特性分析提供了较可靠的依据。啮合刚度、传动误差及齿侧间隙是齿轮传动系统的主要内部激励形式。激励是振源,分析激励目的是了解振动产生的原因。采用有隙啮合理论计算和有限元模拟分析两种方法建立了啮合刚度分析模型,分析了传动中针齿与摆线轮啮合刚度的变化和系统参数对啮合刚度的影响,得出啮合刚度是时变的结论。采用机构运动解析法建立了系统传动精度的分析模型,绘制了杆长敏感系数曲线,分析了各构件敏感系数对传动精度的影响。分析了轴承游隙对杆长制造误差的补偿作用和制造加工误差对针摆传动误差的影响,提出了针摆传动啮合误差的综合计算公式。环板式针摆行星传动系统在时变啮合刚度、传动误差等非线性因素作用下,必将产生非线性振动。从非线性动力学的角度研究了该传动的非线性动态特性,建立了其非线性动力学模型,模型考虑了时变啮合刚度、误差和齿侧间隙等因素的影响,推导出了系统的运动微分方程组、并对系统运动微分方程进行了无量纲处理,采用Broyden法求解了系统的微分方程组,分析了环板与摆线轮啮合处的阻尼、误差和时变啮合刚度对系统振动幅频曲线的影响。分析非线性系统的目标是确定系统在平衡位置上是否稳定或研究所出现的运动状态的稳定性。采用数值积分方法对多间隙多自由度非线性微分方程组进行了求解,研究了系统在激励频率和误差激励作用下系统的稳态响应。采用实验方法对双电机驱动的四环板针摆线行星减速器的振动和噪声进行了测试。
摘要第5-6页
Abstract第6-7页
第一章 绪论第11-25页
    1.1 论文研究背景及意义第11-12页
    1.2 国内外研究现状综述第12-23页
        1.2.1 针摆行星传动第12-17页
        1.2.2 渐开线环板式行星齿轮传动第17-18页
        1.2.3 环板式针摆行星传动第18-19页
        1.2.4 齿轮非线性动力学研究概况第19-23页
    1.3 本文主要工作第23-25页
第二章 环板式针摆行星传动模态分析第25-42页
    2.1 引言第25页
    2.2 有限元模态分析原理第25-28页
    2.3 四环板针摆行星传动典型零件的有限元模态分析第28-33页
    2.4 输入轴系的模态分析第33-38页
        2.4.1 用有限元法对输入轴系进行模态分析第33-34页
        2.4.2 用传递矩阵法计算输入轴系的固有频率第34-38页
    2.5 双电机驱动四环板行星针摆减速器模态实验第38-41页
    本章小结第41-42页
第三章 针齿与摆线轮动态啮合特性分析第42-54页
    3.1 前言第42页
    3.2 针齿与摆线轮啮合刚度的理论分析第42-47页
        3.2.1 程序框图及刚度计算结果第44-45页
        3.2.2 系统参数对啮合刚度的影响第45-47页
    3.3 用有限元法分析摆线针轮的动态啮合特性第47-53页
        3.3.1 LS-DYNA中接触方式的确定第47-48页
        3.3.2 摆线针轮动态接触模拟分析第48-52页
        3.3.3 摆线针轮啮合刚度计算第52-53页
    本章小结第53-54页
第四章 环板式针摆行星传动的传动误差分析第54-68页
    4.1 引言第54页
    4.2 杆长制造误差对传动精度的影响第54-60页
        4.2.1 杆长制造误差的敏感系数分析第54-59页
        4.2.2 平行四杆机构铰链副间隙对杆长制造误差的补偿作用第59-60页
    4.3 针摆啮合传动误差第60-67页
        4.3.1 轴承游隙对针摆啮合传动误差的影响第60-63页
        4.3.2 制造加工误差引起的误差第63-67页
    本章小结第67-68页
第五章 环板式针摆行星传动系统幅频特性分析第68-88页
    5.1 引言第68页
    5.2 环板式针摆行星传动非线性动力学模型第68-78页
        5.2.1 系统建模的假设条件第68页
        5.2.2 系统动力学模型建立第68-70页
        5.2.3 系统的运动微分方程第70-72页
        5.2.4 转化方程第72-76页
        5.2.5 方程无量纲化处理第76-78页
    5.3 系统微分方程的求解第78-82页
        5.3.1 代数平衡方程第79-82页
    5.4 系统的频域特性分析第82-87页
        5.4.1 参数对系统动态特性的影响第84-87页
    本章小结第87-88页
第六章 环板式针摆行星传动非线性动态特性分析第88-111页
    6.1 引言第88页
    6.2 分析非线性系统的方法第88-90页
    6.3 系统非线性微分方程的求解第90-98页
        6.3.1 求解方法第90-92页
        6.3.2 积分初值的选取第92-94页
        6.3.3 方程组的降阶处理第94-98页
    6.4 系统的稳态响应分析第98-105页
    6.5 齿侧间隙对系统非线性动态特性的影响第105-109页
    本章小结第109-111页
第七章 环板式针摆行星传动系统动力学测试实验第111-127页
    7.1 引言第111页
    7.2 振动实验测试第111-119页
        7.2.1 实验设备及测点布置第111-112页
        7.2.2 实验测试工况及情况说明第112页
        7.2.3 实验结果第112-118页
        7.2.4 结果分析第118-119页
    7.3 噪声测试第119-126页
        7.3.1 实验结果第119-126页
    本章小结第126-127页
结论第127-129页
创新点摘要第129-130页
参考文献第130-138页
攻读博士学位期间发表的学术论文第138-139页
致谢第139页
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