大功率行星减速器行星架特性分析及结构优化

论文摘要

行星齿轮传动由于具有重量轻、承载能力强及效率高等优点,广泛应用于各个工业领域。考虑到行星齿轮传动的承载性能,就要求系统各构件具有足够的强度和可靠性。而行星架作为行星齿轮传动中关键性零件之一,它的变形对齿轮啮合所产生的接触应力分布影响较大,所以行星架要具有足够的静强度和一定的刚度。理论上,行星齿轮传动系统的载荷由各行星轮均衡承担,但是由于零部件的制造误差、安装误差及变形的存在,使得各个行星轮间载荷分配并不均衡,这就一方面增加了行星轮的设计载荷,一方面增加了系统的振动和噪声。行星架作为行星齿轮传动系统的主要构件之一,它的结构变形和误差参数对整个系统的均载性能有着较大的影响。目前国内对行星架的研究主要集中在中小型及结构较为简单的行星架,对大功率船用行星齿轮箱中结构复杂的行星架研究较少,而且对于行星架的各个因素对整个行星齿轮传动系统均载性能影响分析还不够深入。因此,开展大功率船用行星齿轮系统主要构件行星架的理论研究,确定各种影响因素与系统不均载系数之间的关系,具有重要的工程应用背景,其研究成果对行星齿轮传动系统的设计具有指导意义。本文以大功率船用行星减速器差动级行星架为研究对象,通过静力学计算得到行星架所受静载荷,并用常规计算方法和有限元法分别对差动级行星架刚度进行校核。用大型有限元分析软件ANSYS对行星架进行约束模态分析,介绍了瞬态动力学分析的基本概念和分析目标,比较了三种瞬态动力学分析方法的优劣,详细介绍了模态叠加法的基本计算理论。以动力学计算的动载荷为输入载荷,对行星架进行瞬态动力学分析,得到行星架瞬态位移响应,并对行星架瞬态位移响应进行稳态判断。分析了行星架制造误差和安装误差,建立了差动级系统不均载系数集中质量模型,编写了计算流程,计算了功率分流型行星齿轮传动中各行星轮和太阳轮啮合力的变化状态以及行星齿轮传动系统差动级不均载系数。在此基础上单独分析了误差、行星架刚度、质量和转速对不均载系数的影响。分析了行星架各结构参数对行星架最大应力和最大变形的局部灵敏度和全局灵敏度的影响,并在灵敏度分析的基础上对行星架进行结构优化,比较优化前后应力和变形分布,检验优化结果的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图表目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 发展现状
• 1.2.1 大功率船用行星齿轮传动技术应用现状
• 1.2.2 行星架研究发展现状
• 1.3 研究内容
• 第二章 行星架结构静力学分析
• 2.1 功率分流式行星传动运动学参数计算
• 2.1.1 转速方程
• 2.1.2 扭矩方程
• 2.1.3 系统效率计算
• 2.1.4 齿轮啮合力和行星轴承反力
• 2.1.5 结果分析
• 2.2 差动级行星架变形常规计算
• 2.2.1 端输出和中心输出行星架
• 2.2.2 端输出和中心输出行星架变形计算
• 2.3 差动级行星架有限元计算
• 2.3.1 端输出行星架有限元计算
• 2.3.2 中心输出行星架有限元计算
• 2.4 结果分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 行星架的动态响应分析
• 3.1 行星架模态分析
• 3.2 行星架瞬态动力学分析
• 3.2.1 瞬态动力学有限元分析方法
• 3.2.2 模态叠加法基本理论
• 3.2.3 瞬态动力学有限元计算
• 3.3 行星架稳态响应分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 行星架各因素对系统静力均载性能影响分析
• 4.1 行星轮系不均载系数的定义
• 4.2 系统等效计算模型
• 4.3 差动级行星架当量啮合误差
• 4.3.1 行星架制造误差和安装误差
• 4.3.2 行星架制造误差和安装误差引起的当量啮合误差
• 4.4 差动级行星架调整量对轮齿啮合弹性变形的影响
• 4.5 系统不均载系数的计算
• 4.5.1 行星架受力分析
• 4.5.2 其它构件受力分析
• 4.5.3 不均载系数计算公式
• 4.5.4 不均载系数计算流程
• 4.5.5 不均载系数计算结果分析
• 4.6 行星架制造误差和安装误差变化对系统不均载系数的影响
• 4.7 行星架变形对系统不均载系数的影响
• 4.8 行星架质量对系统不均载系数的影响
• 4.9 行星架转速对系统不均载系数的影响
• 4.10 本章小结
• 第五章 行星架结构优化
• 5.1 行星架结构参数灵敏度分析
• 5.1.1 行星架结构参数局部灵敏度分析
• 5.1.2 行星架的全局灵敏度分析
• 5.2 优化设计概述
• 5.2.1 优化设计概念
• 5.2.2 优化问题的数学模型
• 5.2.3 有限元优化方法
• 5.2.4 优化收敛准则
• 5.3 行星架结构优化
• 5.3.1 行星架优化结果的分析
• 5.3.2 行星架优化前后的比较
• 5.4 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录（一） 攻读硕士期间发表论文