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文|淋上云

编辑|淋上云

前言

在高速大功率密度齿轮传动系统中，动态特性和振动问题一直是研究的关键，随着工业技术的快速发展，和对高性能齿轮传动的需求不断增加，传统设计和制造方法已经无法满足对动态特性和振动控制的高要求。

因此，对高速大功率密度齿轮传动系统动态特性和阻尼环减振的研究成为了工程界和学术界的热点。

首先，了解和分析齿轮传动系统的动态特性对于优化设计和提高性能至关重要，动态特性包括传动系统的振动模态、共振频率、振动幅值等参数。

通过研究齿轮传动系统的动态行为，可以帮助设计者预测和避免传动系统的共振现象，减小振动幅值，提高系统的稳定性和可靠性。

其次，阻尼环减振技术，是解决高速大功率密度齿轮传动系统，振动问题的有效方法之一，阻尼环的引入可以通过增加传动系统的阻尼和耗能能力来减小系统的振动。

由于阻尼环通常采用橡胶材料或液体阻尼器，应该将其安装在齿轮系统的关键位置，以消耗和分散振动能量。

同时，阻尼环减振技术在提高传动系统的动态性能，和减小振动噪声方面具有显著的效果，为高速大功率密度齿轮传动系统的可靠性，和稳定性提供了重要保障。

那么，阻尼环的减速技术是否能解决齿轮传动系统中出现的问题，又应该如何减少振动噪声等方面问题？

阻尼环的耦合作用

因此，为解决齿轮轻量化对齿轮传动系统动态特性、振动噪声的影响问题，我们团队就进行了大量有益的研究工作。

在齿轮辐板轻量化方面，研究表明，通过降低辐板刚度能够抑制齿轮振动幅值，但会导致齿轮稳定性变差，增加辐板阻尼有利于抑制辐板振动的高阶谐波，并提高系统的稳定性。

在增加齿轮阻尼的方面，阻尼环可以有效降低齿轮振动位移和减小应力波动，但这些研究仅以齿轮辐板、阻尼环为重点，而忽略齿轮和阻尼环间的耦合作用，其对齿轮传动系统动态特性的影响。

所以，为完善大功率密度齿轮传动系统的理论体系，首先采用集中参数法，建立附加阻尼环的斜齿轮传动系统中，弯扭轴耦合的刚体动力学模型。

其次，给出一种转轴-轴承结合部动态等效刚度的计算方法，并分析齿轮传动系统的工况，和结构参数对转轴-轴承动态等效刚度的影响，这也为高速大功率密度齿轮传动系统动态特性研究提供了理论基础。

在斜齿轮传动系统中，因螺旋角非零而使该系统，除具有扭转和弯曲振动之外，还会存在轴向振动，从而形成区别于直齿轮传动系统，其具有弯-扭-轴耦合振动特性的斜齿轮传动系统。

所以，为研究阻尼环对齿轮传动系统振动特性的影响，将采用集中参数法，建立附加阻尼环的斜齿轮传动系统，弯-扭-轴耦合的多自由度刚体动力学分析模型。

而附加阻尼环的斜齿轮传动系统，弯-扭-轴耦合刚体动力学模的基本假设也是应该存在的，将辐板质量向齿轮的轮缘、轮毂集中处理，同时，将辐板等效为辐板扭转阻尼，而辐板也会扭转其刚度。

将阻尼环安装在被动齿轮轮缘上，同时在系统动力学模型中，将阻尼环等效为轴向振动方向上的弹簧、阻尼和质量的附加系统。

在考虑阻尼环的齿轮传动系统径向振动方向上，因阻尼环与齿轮为过盈安装，则可将阻尼环、齿轮视为一体，同时，相对质量较小所以忽略了其质量影响，是高速离心力导致其径向方向上一致的。

对于所建立的附加阻尼环的斜齿轮传动系统，在弯-扭-轴耦合的刚体动力学模型中具有几个特点。

其中，斜齿轮轮齿啮合力是一个具有弯曲、扭转、轴向耦合振动的空间力，且存在结合部，还有简化计算，轮齿的啮合刚度和阻尼等效为轮齿啮合动力学参数，其支承轴承的扭转刚度远小于轮齿啮合刚度，这样是可以忽略不计的。

由此可知，附加阻尼环的斜齿轮传动系统具有以转轴-轴承结合部为主，同时存在轮齿啮合、轮缘和阻尼环结合部的特点。

所以，转轴-轴承结合部将支承轴承在轴向和垂直方向的移动方向上，其简化为弹簧阻尼器，即等效为转轴-轴承结合部的等效刚度，和等效围绕齿轮传动系统动力学建模，及其参数分析。

传动系统中的啮合

因此，除了传动系统的建模，阻尼环的减振机理，更是利用了阻尼环与齿轮轮缘接触面之间，干摩擦作用的消耗能量，其中接触面间的摩擦力矩是影响齿轮轴向、圆周扭转方向振动响应的重要因素。

而接触面间摩擦力矩主要取决于齿轮和阻尼环的几何、工况和装配参数，齿轮轮缘和阻尼环的装配方式多为过盈装配，用以提供齿轮轮缘和阻尼环间的大部分摩擦力和摩擦力矩。

但对于高速齿轮来说，还应考虑离心力产生的径向膨胀，对齿轮轮缘和阻尼环间的轴向摩擦力、扭转摩擦力矩的影响。

不过，当齿轮轮缘与阻尼环间无正压力时，就可以非过盈装配，而轮缘与阻尼环间的径向变形差值随着转速的增加越来越大，当激励转速超过阻尼环与轮缘无正压力时，所对应的临界转速，就会让阻尼环失去阻尼减振降噪作用，且有脱离轮缘约束飞出的危险。

因此阻尼环多采用热涨法的过盈装配，或者在轮缘上设置凹槽，以提供所需的扭转干摩擦阻尼效应，同时也可对阻尼环形成轴向位移的约束。

所以，当齿轮轮缘与阻尼环间为过盈装配时随着激励转速增加，齿轮轮缘与阻尼环间轴向摩擦力、扭转摩擦力矩以非线性方式增长。

当轴向摩擦力小于激振力时，阻尼环在轮缘凹槽内处于相对滑动状态，当轴向摩擦力大于激振力时，阻尼环在轮缘凹槽内处于相对粘滑状态，即接触面间为静摩擦，而此时端面间摩擦力矩将有可能失去。

当阻尼环的装配过盈量增加后，齿轮轮缘与阻尼环间轴向摩擦力、扭转摩擦力矩也随之增加，且有助于接触区相对滑动和粘滑的临界转速增加。

对考虑时变啮合刚度和传动误差的强非线性，附加阻尼环齿轮传动系统刚体耦合动力学模型，使用数学描述就能推导出动力学微分方程组，对此类方程的求解方法主要有解析法和数值法。

其是有解析法可定性、定量的求解方程的，但计算过程复杂，从理论上讲数值法可求解任何类型的非线性方程且便于编程。

所以，以上分析表明：系统的激励转速增加后，系统辐射噪声有一定的增长，被动齿轮振动响应的频谱、相图和庞加莱截图表明系统的运动，由初始的拟周期向混沌运动过渡，而系统载荷的增加则会导致其轴向振动幅值和辐射噪声的增加。

那么，振动幅值在系统中是否会存在变化，对于齿轮传动系统来说，什么才是其最新需要的？

辐板轻量化特性

总的来说，阻尼板还是有很多方法进行研究的，因此，我们团队就有人通过高速大功率密度齿轮传动系统，对刚体动力学模型进行了研究，已经从中发现辐板轻量化和附加阻尼环，对系统轴向振动幅值和稳定性的影响。

而事实上，高速大功率密度齿轮传动系统的轻量化设计理念，会传递更高载荷的追求，使其柔度远大于其它齿轮传动系统。

对采用阻尼环减振的高速大功率密度齿轮传动系统，辐板和阻尼环的柔性变形和齿轮高速转动间的耦合作用，使该系统呈现出，强非线性和不同位移模式间的强耦合特性。

同时也增加了系统的运动维度，这使各部件的运动学、动力学关系复杂化，同时还使得齿轮传动系统的刚体系统模型，满足不了其高精度动力学特性的分析要求。

其中，刚柔耦合多体系统，是刚性多体系统物理模型的精细化，及自然的延伸和发展。

所以，我们团队就将所建立的附加阻尼环的齿轮传动系统作为研究对象，基于刚柔耦合多体动力学理论，从而进一步分析轻量化齿轮、附加阻尼环等，柔性体对齿轮传动系统稳定工况，和变工况动态特性的影响。

首先，建立考虑阻尼环和齿轮大柔度变形的附加阻尼环的齿轮传动系统，其刚柔耦合多体动力学模型。

其次，基于接触理论，随后就给出了接触力参数预估的求解过程、并分析了系统过渡时间等参数，对系统动态特性的影响。

最后，在稳定工况和变工况下，研究齿轮传动系统工况参数、齿轮轻量化和阻尼环等对该系统动态特性的影响。

因齿轮传动系统的轮齿间接触碰撞力，其动态实验测量十分困难，目前研究齿轮传动系统动态特性的方法，主要有理论建模和数值仿真。

其数值仿真方法主要有：有限元法、刚性多体动力学法和柔性多体动力学法，相比于有限元模型和刚性多体模型，柔性多体齿轮传动系统模型，不仅能考虑齿轮传动系统中的柔性变形，还能够提供更加合理的仿真效率和计算精度。

随着计算机技术的发展，这使人们可借助多体动力学理论、有限元方法来更为精确的研究齿轮传动系统动态特性。

因此，我们团队就采用了模态缩减法和多体动力学软件相结合的方法，同时考虑了阻尼环和齿轮大柔度变形的附加阻尼环，其中的齿轮传动系统刚柔耦合的多体动力学模型。

同时，根据齿轮传动的基本规律，和渐开线齿形的生成原理，来进行渐开线斜齿轮的精确参数化建模，其实现的难点，在于创建精确的渐开线曲线来建立参数化的齿轮模型。

其柔性部件的弹性变形，将不可避免的影响机械系统动态特性，为获得高精度的研究结果，可以根据机械系统的实际结构特征，将其中柔性较大的零部件转化为柔性体。

从而最大限度地模拟实际物体的运动，而柔性体是采用修正来表示，其修正方法通常采用模态坐标和模态向量的线性组合，来描述柔性体的弹性位移，并通过计算弹性位移来描述其变形运动。

但因齿轮传动系统工况、结构、使用环境的不同，而使得齿轮传动系统动态特性和振动噪声各异，至今都尚未形成，公认的大功率密度齿轮设计和减振降噪理论。

其研究高速大功率密度齿轮传动系统动态特性、减振技术，已成为了推动大功率密度传动系统技术发展的基础研究内容。

结语

所以，高速大功率密度齿轮传动系统的动态特性，及阻尼环减振的研究，在提高传动系统性能和降低振动噪声方面具有重要意义。

在通过深入分析齿轮传动系统的动态特性，不仅可以预测和避免系统的共振现象，提高系统的稳定性和可靠性，还有助于优化设计和改进制造工艺。

从而引入阻尼环减振技术，则能够通过增加系统的阻尼和耗能能力，减小振动振幅，提高系统的动态性能。

在研究过程中，我们可以通过振动信号采集和分析等手段，获取齿轮传动系统的动态特性参数，并设计相应的阻尼环减振装置。

这些装置通常会采用橡胶材料或液体阻尼器来消耗和分散振动能量，能够有效减小系统的振动。

但是，这些与传统的设计方法相比，阻尼环减振技术能够显著改善系统的动态响应和稳定性，降低振动噪声，并提高齿轮传动系统的寿命和可靠性。

总结而言，高速大功率密度齿轮传动系统的动态特性，及阻尼环减振的研究，为工程界提供了重要的指导和实践。

同时还通过增强对动态特性的理解并引入阻尼环减振技术，我们能够有效改善传动系统的性能、减小振动噪声，并满足工业对高速大功率密度齿轮传动系统的需求。

未来的研究将继续探索更先进的动态特性分析方法和阻尼环设计，以进一步提高齿轮传动系统的可靠性和效率，推动工业领域的发展。