畢業(yè)調研報告書

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實習（調研）報告

1課題的來源及意義

由于齒輪箱系統(tǒng)具有布局簡樸、傳動效率高、制造本金低和工作穩(wěn)當?shù)葍?yōu)點，在各種機械設備上有很廣泛的應用，齒輪箱系統(tǒng)的動力學行為和工作性能對整個機械系統(tǒng)有重要的影響，而齒輪傳動系統(tǒng)又是齒輪箱中重要組成部件。隨著當代機械向高速化、輕量化、細致化以及自動化方向進展，齒輪傳動過程中所產(chǎn)生的振動、噪聲等動力學行為，已引起人們的廣泛關注。因此，分析研究齒輪傳動過程中振動、噪聲的產(chǎn)活力理，對于減振降噪及其防治措施、齒輪箱的優(yōu)化設計無疑是有積極意義的，并且對于提高產(chǎn)品的內在品質，降低噪聲污染等都具有廣闊的工程應用前景，同時還具有重要的學術意義和社會意義。

2國內外進展狀況

2.1齒輪箱振動研究

齒輪系統(tǒng)振動噪聲問題的研究，由以沖擊理論為根基進展到以振動理論為根基；在

研究系統(tǒng)方面，體驗單一的齒輪副組成的簡樸系統(tǒng)向同時包含齒輪、傳動軸、軸承和箱

體布局的繁雜系統(tǒng)的過渡；在分析方法方面，正逐步進展為包含時域方法和頻域方法，

并同時結合解析方法、數(shù)值方法、測驗方法的多方法結合的研究，以達成從多方面綜合

研究齒輪系統(tǒng)的瞬態(tài)特性、穩(wěn)態(tài)特性和混沌特性的目的[]1。

姚文席[]2等在1990年突破傳統(tǒng)的僅僅考慮齒輪塊的振動問題，而是提出了將傳動軸和齒輪視為一個動態(tài)體系，建立了單級齒輪傳動系統(tǒng)的動力學模型；左言言[]3等在1994年通過對齒輪箱噪聲的分析，察覺其常嚙合齒輪副是主要噪聲源，從提高齒輪嚙合精度和剛度啟程，分別選配直齒輪和斜齒輪代替原有的常嚙合齒輪副并用尼龍墊片代替銅墊片使噪聲降低；王玉新[]4等在2022年用多尺度方法研究了考慮輪齒時變剛度和靜態(tài)傳遞誤差鼓舞的齒輪系統(tǒng)的動態(tài)特性；武寶林[]5等在2022年建立了考慮輪齒受載變形后齒輪傳動過程中的有關幾何量與其嚙入沖擊速度、最大沖擊力之間的定量關系表達式，據(jù)此初步分析了齒寬、傳動比、輪齒受載變形、工況、齒輪布局等對傳動過程中嚙合沖擊的影響處境；MohamedSlimAbbes[]6等在2022年對并行傳動的斜齒輪的整體動態(tài)行為舉行了數(shù)值仿真，使用不同類型的子布局（承載和從動）的動態(tài)子布局方法來確定固有頻率和振型；李金玉[]7等在2022年利用PRO/E建立了參數(shù)化斜齒輪三維實體模型,使用ADAMS對齒輪嚙合過程舉行仿真，研究了在不同轉速條件下嚙

合力在時域及頻域中的變化規(guī)律；黃澤平[]8等在2022年對齒輪副嚙合沖擊舉行了仿真研究，采用ADAMS建立系統(tǒng)的力學模型，從而實現(xiàn)對齒輪系統(tǒng)的設計和優(yōu)化；吳卓等[]9在2022年利用三維造型軟件Pro/E對齒輪舉行三維實體建模后導入ANSYS中,利用ANSYS軟件對齒輪舉行模態(tài)分析,研究齒輪的固有振動特性,得到了齒輪的低階振動的固有頻率和固有振型；劉雷[]10等在2022年運用多體動力學理論建立了齒輪多體系統(tǒng)模型，分析說明該模型的計算結果更接近于有限元方法，分外適用于齒輪系統(tǒng)的多體動力學分析；葛丹丹[]11等2022年在建立齒輪箱三維實體模型的根基上，對其舉行模態(tài)分析，得出前10階固有頻率及振型，并利用模態(tài)疊加法對齒輪箱體工況鼓舞下的瞬態(tài)響應舉行分析；唐進元[]12等在2022年考慮齒輪時變嚙合剛度、傳動誤差和齒面摩擦力，研究運用鍵合圖理論建立齒輪傳動非線性振動鍵合圖模型，這種方法可以用來解決齒輪非線性動力學的建模問題。

2.2模態(tài)測驗研究

模態(tài)測驗技術在振動噪聲研究中有著重要的作用。布局模態(tài)及動態(tài)分析是合理設計機械，保證裝備安好穩(wěn)當運行的重要環(huán)節(jié)。國內外學者對模態(tài)試驗舉行了好多研究。

常山和尹遜民[]13在2000建立傳動齒輪箱體模態(tài)試驗的理論模型和測驗模型后，采用移動錘擊法采集各點的沖擊數(shù)據(jù)和響應數(shù)據(jù)。用最小乘復指數(shù)法識別出箱體的模態(tài)參數(shù)，并與有限元計算結果舉行了比較分析；程廣利[]14等在2022年在對某型齒輪箱的模態(tài)、振動烈度和振動加速度舉行測試的根基上，細致分析了測試結果。模態(tài)測試得到了齒輪箱的振型和模態(tài)參數(shù)，振動烈度測試結果說明該齒輪箱處于良好工作狀態(tài)，振動加速度測試結果顯示該齒輪箱的減振措施達成了預期的效果；敖慶章，程廣利等[]15在2022年采用錘擊模態(tài)測試方法對某型艦船齒輪箱的模態(tài)舉行了實測，并細致分析了測試結果，為該型艦船齒輪箱的保養(yǎng)和修理供給了第一手資料，利于掌管該型齒輪箱的動態(tài)特性，同時也為該型艦船齒輪箱振動設計、制造的合理性供給了可行性論證；王基[]16等在2022年建立齒輪箱的試驗模型的根基上，采用固定錘擊點變更測量點法采集各點的沖擊數(shù)據(jù)和響應數(shù)據(jù)，在對同類型兩部齒輪箱的模態(tài)試驗的結果分析的根基上，通過找到其中一部齒輪箱振動噪聲增大的理由，結果說明其分析結論是正確的；R.Farshidi[]17等在2022年采用空氣產(chǎn)生鼓舞的方法對懸臂梁做試驗模態(tài)分析，試驗中采用的空氣鼓舞法制止了其他鼓舞設備與試驗件的接觸，減小了接觸產(chǎn)生的誤差。

今后齒輪動力學的研究仍將是重點和主要方向，將齒輪傳動系統(tǒng)和布局系統(tǒng)統(tǒng)一起來作為一種繁雜的彈性布局系統(tǒng)，根據(jù)動態(tài)設計的思路，研究其動態(tài)優(yōu)化設計，只有這樣，才能真正設計出高性能的齒輪系統(tǒng)。近年來雖然齒輪箱系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化得到了設計者的高度熟悉，對齒輪箱系統(tǒng)動態(tài)分析的學者越來越多，對于齒輪箱系統(tǒng)的動態(tài)特性達成了確定的高度。盡管有些設計者在機械設計當中考慮齒輪系統(tǒng)的動態(tài)特性，

但是概括將齒輪箱系統(tǒng)的激振與噪聲產(chǎn)生結合起來對齒輪箱系統(tǒng)舉行系統(tǒng)優(yōu)化設計的研究還相對較少，從而沒有從根本上解決齒輪箱振動和噪聲問題，因此齒輪箱振動和噪聲問題是函待解決的重要課題。

3研究目標

本課題將以單級傳動的直齒圓柱齒輪系統(tǒng)為研究對象，對齒輪對的嚙合機理舉行研究，建立齒輪對嚙合過程的動力學模型，并且仿真求解。并應用有限元方法，對齒輪箱舉行模態(tài)分析及穩(wěn)態(tài)振動響應分析，并舉行模態(tài)測驗，驗證有限元模型的可行性。

4研究內容、方法及手段

從目前的研究方向來看，對于振動產(chǎn)活力理方面，動力學建模與仿真計算是研究的重要手段。

4.1動力學模型主要有以下幾種：

（1）動載系數(shù)模型

動載系數(shù)模型是在齒輪動力學研究的早期使用的單自由度模型，主要用來確定輪齒嚙合的動載系數(shù)，目前已不常用。

（2）齒輪副扭轉振動模型

以一對齒輪副為分析對象，不考慮齒輪的橫向振動位移，假設支承是剛性的(常用于傳動軸和支承系統(tǒng)剛度較大的場合),這種模型主要用來研究齒輪副的動態(tài)嚙合響應問題。

（3）傳動系統(tǒng)模型

以傳動系統(tǒng)為建模對象，包含了齒輪副、傳動軸，有時也包含支承軸承、原動機和負載慣性。其振動形式分為純扭模型和彎、扭、軸、擺等多類自由度相互耦合的耦合型模型。利用此模型，不僅可以確定動載荷，還可以確定系統(tǒng)中全體零件的動態(tài)特性及相互作用。

（4）齒輪系統(tǒng)模型

以傳動系統(tǒng)和布局系統(tǒng)作為建模對象，因此，是耦合型模型，在分析時同時考慮兩種系統(tǒng)的相互作用，全面確定齒輪系統(tǒng)的動態(tài)特性，尤其適用于分析齒輪系統(tǒng)振動噪聲的產(chǎn)生與傳遞。

本課題基于本課題主要是從齒輪對的嚙合機理方面研究振動的主要來源，因此所采用的動力學模型為齒輪副扭轉振動模型，即不考慮傳動軸、支承軸承和箱體等的彈性變形。

4.2動力學仿真計算

機械動力學分析軟件ADAMS[]18(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems)是目前國際上使用最廣泛的機械系統(tǒng)動態(tài)模擬軟件。它采用虛擬樣機技術,將強大的大位移、非線性分析求解功能與使用便當?shù)挠脩艚缑嫦嘟Y合,并供給與其它CAE

軟件如操縱分析軟件MATLAB、有限元分析軟件ANSYS等的集成模塊擴展設計手段。使用戶能夠便當?shù)貙Ω鞣N繁雜機械系統(tǒng)舉行建模、仿真和分析。在Adams環(huán)境下,通過建立某指定機械系統(tǒng)的數(shù)字化虛擬樣機,可以切實地預料該系統(tǒng)的各種虛擬試驗的性能。

齒輪箱的齒輪、軸和軸承共同構成了齒輪傳動系統(tǒng)，其動力學特性對齒輪箱的工作性能、振動和噪聲有抉擇性的作用。在齒輪傳動系統(tǒng)中，齒輪固定在軸上，通過軸承與箱體連接。工作中，齒輪對嚙合傳動產(chǎn)生周期性的鼓舞力，通過軸、軸承傳遞至箱體，造成箱體的振動。為了舉行齒輪箱箱體的振動響應分析，需要獲得齒輪箱箱體的軸承座在齒輪對嚙合過程中受到的軸承的載荷，本文利用ADAMS仿真計算的時候，可以將問題轉換為求解軸對軸承的載荷。

4.3模態(tài)分析及諧響應分析

ANSYS[]19軟件是融布局、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，因此它可以應用于以下工業(yè)領域：航空航天、汽車工業(yè)、重型機械、生物醫(yī)學、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、微機電系統(tǒng)、運動器械等。它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，是現(xiàn)代產(chǎn)品設計中的高級CAE工具之一。軟件包括三個片面：前處理模塊(實體建模及網(wǎng)格劃分）,分析計算模塊（包括布局分析、流體動力學分析、電磁聲場分析、壓電分析以及多物理場耦合分析），后處理模塊（將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示等，也可將結果以圖表、曲線形式顯示或輸出）

本課題將采用ANSYS軟件對齒輪箱箱體舉行有限元建模，然后舉行模態(tài)分析，獲得箱體的固有頻率及振型。并對箱體舉行諧響應分析，獲得箱體的振動特性、振動位移最大處及振動方向，以便為將來的齒輪箱優(yōu)化設計做鋪墊。

5對齒輪箱舉行模態(tài)測試

5.1測驗條件

擁有振動噪聲測驗臺、完整的齒輪箱布局、其連接片面包括電動機和負載

器、三向加速度傳感器、AVANT-MI7016數(shù)據(jù)采集與分析儀、ModalGenius模態(tài)分析軟件、力錘等。

5.2測驗內容

對齒輪箱箱體舉行模態(tài)測試。測試方法有兩種：一種是固定敲擊點移動響應點對齒輪箱舉行錘擊測驗；一種是固定響應點移動敲擊點對齒輪箱舉行錘擊測驗。兩種方法都要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠實時采集測試信號，其中包括力錘的沖擊力信號和加速度傳感器的響應信號。即可得到各測點的頻響函數(shù)，將獲得的各測點的頻響函數(shù)曲線導入ModalGenius模態(tài)分析軟件中，將全體頻響函數(shù)舉行擬合迫近以獲取模態(tài)參數(shù)。

6進度安置

時間完成內容

1-3周查閱相關中英文資料，理解課題的意義，了解齒輪動力學與

振動噪聲的進展狀況以及研究手段和目標，完成調研