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节点外啮合行星齿轮传动系统设计方法及动力学分析

作　者: 孙永正
导　师: 朱如鹏
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 节点外啮合行星齿轮强度优化动力学
分类号: TH132.425
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

行星齿轮传动系统由于采用了多个行星轮进行功率分流的结构，并且合理利用了内啮合的形式，因此与普通定轴轮系相比，行星齿轮传动系统具有质量轻、体积小、传动比大、承载能力强和传动效率高等诸多优点，广泛应用于航空航天、船舶和工程机械等领域；节点外啮合传动的实际啮合线段位于节点的一侧，避免了啮合过程中由于齿面摩擦力换向引起的振动，可以改善齿轮副的振动特性。本文对节点外啮合行星齿轮传动系统的设计及动力学性能进行分析。分析了节点外啮合传动啮合特性中实现节点外啮合传动的判定条件和衡量节点远离实际啮合线程度的节点外系数。根据分析得出，相比内啮合齿轮副，外啮合齿轮副较难实现节点外啮合传动；通过合理采用齿轮副分度圆压力角不等的设计，可以较为容易的实现节点外啮合传动。在此基础上研究了齿轮齿数、分度圆压力角和齿顶高系数对节点外啮合传动变位系数可行域的影响。在行星齿轮传动系统中，适当减小行星轮齿数有利于实现外啮合节点前啮合传动和内啮合节点后啮合传动；对于主要受外啮合齿轮副接触强度限制的NGW型行星传动系统，内啮合齿轮副采用节点后啮合传动比节点前啮合传动更加合理。对标准中齿轮强度计算公式进行了修正，以使其适用于节点外啮合齿轮的强度计算。指出节点外啮合齿轮副的接触强度以单对齿啮合区上接触应力最大的点作为接触应力计算点，并研究了这一计算点的规律；胶合承载能力中平均摩擦系数采用简化积分的形式求得，并推导了节点位于实际啮合线以外时的重合度系数计算公式。根据修正的强度计算公式开发了节点外啮合行星齿轮传动系统强度软件模块，对节点外啮合齿轮的强度安全系数进行了分析，建立其与节点外系数之间的关系，发现过大的节点外系数不利于保证齿轮的强度，特别是弯曲强度和胶合承载能力。应用MATLAB优化工具箱，结合行星齿轮传动系统和节点外啮合传动的特性，对节点外啮合行星齿轮传动系统进行优化设计，开发了节点外啮合行星齿轮传动系统的优化设计软件模块，优化得到了节点后啮合行星齿轮传动系统的参数。建立了节点外啮合行星齿轮传动系统的动力学模型，模型中考虑了齿面摩擦力，得到了系统的动力学方程，消除了系统的刚体位移并对方程进行了无量纲化，研究了系统的固有特性，应用4-5阶Runge-Kutta数值积分法对方程进行求解，计算了节点外啮合行星齿轮传动系统的动态响应和均载系数。开发了系统的动力学分析模块，通过分析验证了节点外啮合齿轮传动可以改善系统的均载特性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-15
第一章绪论  15-19
  1.1 研究背景和意义  15
  1.2 研究现状  15-18
    1.2.1 节点外啮合齿轮的研究现状  15-16
    1.2.2 行星齿轮传动系统的研究现状  16-18
  1.3 本文的研究内容  18-19
第二章节点外啮合行星齿轮传动系统实现方法研究  19-41
  2.1 引言  19
  2.2 节点外啮合齿轮传动的啮合特性分析  19-24
    2.2.1 节点外啮合的判定条件  19-22
    2.2.2 节点外系数  22-24
  2.3 节点外啮合齿轮副的实现方法  24-34
    2.3.1 节点外啮合齿轮副实现方法的理论分析  24-25
    2.3.2 节点外啮合齿轮副可行域分析  25-34
  2.4 节点外啮合行星齿轮传动系统的实现方法  34-40
    2.4.1 NGW 型行星齿轮系统配齿条件  34-37
    2.4.2 节点外啮合行星齿轮系统配齿计算  37-39
    2.4.3 节点外啮合行星齿轮系统变位方式的选择  39-40
  2.5 本章小结  40-41
第三章节点外啮合齿轮强度计算  41-58
  3.1 引言  41
  3.2 节点外啮合齿轮接触强度计算  41-46
    3.2.1 节点外啮合齿轮副接触应力基本值计算  42
    3.2.2 节点外啮合齿轮副接触应力计算点的选取  42-45
    3.2.3 单对齿啮合区上下界点曲率半径的计算  45-46
  3.3 节点外啮合齿轮胶合强度计算  46-53
    3.3.1 齿轮胶合承载能力计算的基本公式  46
    3.3.2 节点外啮合齿轮副胶合承载能力中重合度系数的计算  46-50
    3.3.3 节点外啮合齿轮胶合承载能力中平均摩擦系数的计算  50-53
  3.4 节点外系数对节点外啮合齿轮强度的影响  53-57
    3.4.1 节点后啮合时节点外系数对齿轮强度的影响  53-55
    3.4.2 节点前啮合时节点外系数对齿轮强度的影响  55-57
  3.5 本章小结  57-58
第四章节点外啮合行星齿轮传动系统参数优化设计  58-68
  4.1 引言  58
  4.2 节点外啮合行星齿轮传动系统优化设计数学模型的建立  58-64
    4.2.1 系统优化设计变量的选择  58-59
    4.2.2 系统目标函数的选择  59-61
    4.2.3 系统的约束条件  61-64
  4.3 基于 MATLAB 的节点外啮合行星齿轮系统优化设计  64-67
    4.3.1 节点外啮合行星齿轮传动系统优化设计流程  64-65
    4.3.2 节点外啮合行星齿轮传动系统设计实例  65-67
  4.4 本章小结  67-68
第五章节点外啮合行星齿轮传动系统动力学分析  68-91
  5.1 引言  68
  5.2 节点外啮合行星齿轮传动系统动力学模型  68-76
    5.2.1 系统动力学计算模型  68-71
    5.2.2 系统动态啮合力的计算  71-73
    5.2.3 齿面摩擦力与摩擦力臂的分析  73-76
  5.3 节点外啮合行星齿轮传动系统动力学方程及求解  76-81
    5.3.1 节点外啮合行星齿轮传动系统动力学方程  76-80
    5.3.2 系统微分方程的求解  80-81
  5.4 节点外啮合行星齿轮系统动力学分析  81-90
    5.4.1 节点外啮合行星齿轮传动系统固有特性  81-83
    5.4.2 节点外啮合行星齿轮传动系统固有频率分析  83-87
    5.4.3 节点外啮合行星齿轮传动系统动态响应  87-90
  5.5 本章小结  90-91
第六章节点外啮合行星齿轮传动系统软件开发  91-99
  6.1 引言  91
  6.2 节点外啮合行星齿轮传动系统软件模块的设计  91-92
  6.3 节点外啮合行星齿轮传动系统软件模块的界面  92-98
  6.4 本章小结  98-99
第七章总结与展望  99-101
  7.1 本文工作总结  99-100
  7.2 进一步研究工作展望  100-101
参考文献  101-105
致谢  105-106
在学期间发表的论文  106

节点外啮合行星齿轮传动系统设计方法及动力学分析

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