一种考虑裂纹位置的故障齿轮时变啮合刚度计算方法技术

本申请涉及本申请涉及机械动力学技术领域，特别是涉及一种考虑裂纹位置的故障齿轮时变啮合刚度计算方法，方法包括：建立齿轮故障计算模型；确定对应的裂纹类别信息，以及预先存储裂纹类别信息对应的裂纹齿轮区段划分规则；检测齿轮上发生故障的裂纹位置，采用裂纹齿轮区段划分规则对裂纹位置进行区段划分，得到多个裂纹子区段；针对每个裂纹子区段，得到每个裂纹子区段弯曲刚度和剪切刚度；将各个裂纹子区段的弯曲刚度和剪切刚度求和，得到故障齿轮的弯曲刚度和剪切刚度，本发明专利技术通过输入裂纹的参数即可得到故障齿轮的弯曲刚度和剪切刚度。其计算效率更高。其计算效率更高。其计算效率更高。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑裂纹位置的故障齿轮时变啮合刚度计算方法


[0001]本申请涉及机械动力学
，特别是涉及一种考虑裂纹位置的故障齿轮时变啮合刚度计算方法。

技术介绍

[0002]齿轮传动装置是最重要的工业基础零部件之一，被广泛应用于航天航空、船舶运输、车辆运载、工程机械、能源化工、轨道交通等众多工业领域，是实现机械传动和动力传输的核心装置。作为机械设备的核心零部件，齿轮传动装置的运行性能直接影响整体设备的质量和可靠性。
[0003]裂纹是最常见的齿轮故障之一。裂纹在扩展过程中不仅深度和角度会发生变化，裂纹的位置沿着齿宽方向发生改变，因此实际中的轮齿裂纹大多均为空间裂纹，由于空间裂纹的深度、角度和位置都沿着齿宽方向变化，无法直接对整个轮齿的啮合刚度直接进行求解，因此对于空间裂纹的求解通常需要结合势能法和切片法。
[0004]如专利CN107420523A
‑
一种具有齿面裂纹缺陷的斜齿轮副啮合刚度计算方法，可以看出，在充分切片之后，每个轮齿切片中的裂纹长度、裂纹角度和裂纹位置都可以视作固定不变的，而每个轮齿切片的裂纹参数又各不相同，因此需对每个轮齿切片进行啮合刚度求解，再将所有切片的啮合刚度叠加起来即可得到整个轮齿的啮合刚度。由此可见，其中的关键步骤就是用同时包含裂纹长度、裂纹角度和裂纹位置三个参数的计算方法去对每个切片进行刚度求解。然而，现有的文献和专利只提出了考虑裂纹长度和裂纹角度的啮合刚度计算方法，忽略了裂纹位置的变化，并没有提出同时包含裂纹长度、裂纹角度和裂纹位置的啮合刚度计算方法，无法准确获得每个切片的啮合刚度，导致最后的裂纹齿轮刚度计算结果不够精确。

技术实现思路

[0005]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种考虑裂纹位置的故障齿轮时变啮合刚度计算方法。方法包括：
[0006]建立齿轮故障计算模型；齿轮故障计算模型中将故障位置进行划分，针对故障出现的故障位置，确定对应的裂纹类别信息，以及预先存储裂纹类别信息对应的裂纹齿轮区段划分规则；检测齿轮上发生故障的裂纹位置，根据齿轮故障计算模型和裂纹位置，确定裂纹类别信息，采用裂纹齿轮区段划分规则对裂纹位置进行区段划分，得到多个裂纹子区段；针对每个裂纹子区段，获取裂纹齿轮受载部分处齿廓至中轴线的受载距离、裂纹齿轮受载部分处的截面积和裂纹齿轮受载部分处的惯性矩，将受载距离、截面积和惯性矩输入正常齿轮的弯曲刚度计算模型和剪切刚度计算模型，得到每个裂纹子区段弯曲刚度和剪切刚度；将各个裂纹子区段的弯曲刚度和剪切刚度求和，得到故障齿轮的弯曲刚度和剪切刚度。
[0007]上述考虑裂纹位置的故障齿轮时变啮合刚度计算方法方法，本专利技术根据裂纹的参数数据对裂纹齿轮的刚度进行计算，其齿轮故障计算模型对故障位置进行划分，对应设置
多组裂纹类别信息，并建立与类别信息对应的裂纹齿轮区段划分规则，可以实现在输入裂纹的参数后得到多个裂纹子区段的齿轮受载部分处的受载距离、截面积和惯性矩的计算模型，在计算出齿轮受载部分处的受载距离、截面积和惯性矩的计算模型代入正常齿轮的弯曲刚度计算模型和剪切刚度计算模型获得裂纹齿轮每个裂纹子区段的弯曲刚度和剪切刚度，最后将各个裂纹子区段的弯曲刚度和剪切刚度求和，得到故障齿轮的弯曲刚度和剪切刚度。使其计算效率更高。
附图说明
[0008]图1为一个实施例中渐开线直齿轮轮齿变截面悬臂梁模型；
[0009]图2为一个实施例中轮体变形的几何参数；
[0010]图3为一个实施例中裂纹轮齿的两类模型；
[0011]图4为一个实施例中裂纹起始点在齿根圆角区段裂纹端点在齿根内部的模型；
[0012]图5为一个实施例中第三区段划分时的模型；
[0013]图6为一个实施例中裂纹起始点在齿根圆角区段裂纹端点在齿根圆角区段的模型；
[0014]图7为一个实施例中第六区段划分时的模型；
[0015]图8为一个实施例中裂纹起始点在渐开线区段裂纹端点在齿根内部的模型；
[0016]图9为一个实施例中裂纹起始点在渐开线区段裂纹端点在齿根圆角区段的模型；
[0017]图10为一个实施例中裂纹起始点在渐开线区段裂纹端点在渐开线区段的模型；
[0018]图11为一个实施例中裂纹轮齿弯曲刚度和剪切刚度的计算流程示意图；
[0019]图12为一个实施例中裂纹齿轮刚度计算的有限元模型；
[0020]图13为一个实施例中齿轮啮合刚度随裂纹深度q1的变化规律有限元模型数据图；其中，(a)为理论模型的啮合刚度计算结果随裂纹深度q1的变化规律；(b)为有限元模型的啮合刚度计算结果随裂纹深度q1的变化规律；
[0021]图14为一个实施例中齿轮啮合刚度随裂纹位置ΔR
cs
的变化规律有限元模型数据图；其中，(a)为理论模型的啮合刚度计算结果随裂纹位置ΔR
cs
的变化规律；(b)为有限元模型的啮合刚度计算结果随裂纹位置ΔR
cs
的变化规律；
[0022]图15为现有技术中切片法示意图。
具体实施方式
[0023]为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
[0024]由于空间裂纹的深度、角度和位置都沿着齿宽方向变化，无法直接对整个轮齿的啮合刚度直接进行求解，目前对于空间裂纹的求解通常基于势能法和切片法，例如专利CN107420523A
‑
一种具有齿面裂纹缺陷的斜齿轮副啮合刚度计算方法，如图15所示，可以看出，在充分切片之后，每个轮齿切片中的裂纹长度、裂纹角度和裂纹位置都可以视作固定不变的，因此只需对每个轮齿切片进行啮合刚度求解，再将所有切片的啮合刚度叠加起来即可得到整个轮齿的啮合刚度。由此可见，其中的关键步骤就是用一种包含裂纹长度、裂纹角
度和裂纹位置这三个裂纹参数的计算方法去对每个切片进行刚度求解。然而，现有和该专利只是基于切片法对不同形状的空间裂纹曲面进行分类求解，却并没有提出同时包含深度、角度和位置三个参数的啮合刚度计算方法，在进行充分切片之后，缺乏对对切片刚度的计算模型，导致无法获取一个精确的齿轮啮合刚度。本专利技术即是在进行充分切片之后，对每个切片进行高精度的刚度计算。
[0025]在一个实施例中，如图1
‑
14所示，提供了一种考虑裂纹位置的故障齿轮时变啮合刚度计算方法，方法包括：
[0026]建立齿轮故障计算模型，用于对故障齿轮每个切片进行剪切刚度和弯曲刚度的计算；齿轮故障计算模型中将故障位置进行划分，主要根据裂纹的起点位置和裂纹终点的位置在齿根圆弧区段、渐开线区段和齿根内部的位置进行划分，针对故障出现的故障位置，确定对应的裂纹类别信息，以及预先存储裂纹类别信息对应的裂纹齿轮区段划分规则，即根据裂纹的划分，确定裂纹属于哪种裂纹类别，再根据该种裂纹类别对应的预存的裂纹齿轮区段划分规则进行裂纹子区段划本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑裂纹位置的故障齿轮时变啮合刚度计算方法，其特征在于，所述方法包括：建立齿轮故障计算模型；所述齿轮故障计算模型中将故障位置进行划分，针对故障出现的故障位置，确定对应的裂纹类别信息，以及预先存储所述裂纹类别信息对应的裂纹齿轮区段划分规则；检测齿轮上发生故障的裂纹位置，根据所述齿轮故障计算模型和所述裂纹位置，确定裂纹类别信息，采用所述裂纹齿轮区段划分规则对所述裂纹位置进行区段划分，得到多个裂纹子区段；针对每个裂纹子区段，获取裂纹齿轮受载部分处齿廓至中轴线的受载距离、裂纹齿轮受载部分处的截面积和裂纹齿轮受载部分处的惯性矩，将所述受载距离、截面积和惯性矩输入正常齿轮的弯曲刚度计算模型和剪切刚度计算模型，得到每个裂纹子区段弯曲刚度和剪切刚度；将各个裂纹子区段的弯曲刚度和剪切刚度求和，得到故障齿轮的弯曲刚度和剪切刚度。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述故障位置包括：齿根圆角区段和渐开线区段；确定对应的裂纹类别信息的步骤包括：获取故障的裂纹起始点和裂纹端点，根据裂纹起始点和裂纹端点与故障位置的位置关系，确定裂纹类别信息；当所述裂纹起始点在所述齿根圆角区段时，所述裂纹端点在齿根内部或齿根圆角区段；当所述裂纹起始点在所述渐开线区段时，所述裂纹端点在齿根内部、齿根圆角区段或渐开线区段。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，获取裂纹中轴线距离、裂纹起点夹角、裂纹端点夹角以及预先存储的齿根圆角中轴线距离、齿顶中轴线距离和作用力夹角，并根据所述裂纹类别信息确定裂纹齿轮区段划分规则；其中，所述裂纹中轴线距离为裂纹端点至中轴线的距离；所述裂纹起点夹角为裂纹起点与基圆的切点，该切点与齿轮圆心连接与中轴线的夹角；所述裂纹端点夹角为裂纹端点沿中轴线方向投影在齿廓上投影点，所述投影点与基圆的切点，所述切点与齿轮圆心连接与中轴线的夹角；所述齿根圆角中轴线距离为齿根圆角远离齿根一侧的端点至中轴线距离；所述齿顶中轴线距离为齿顶端点至中轴线的距离；所述作用力夹角为作用力与垂直方向的夹角。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，确定裂纹齿轮区段划分规则的步骤包括：当所述裂纹起始点在所述齿根圆角区段时，且所述裂纹端点在齿根内部；当齿根圆角中轴线距离>裂纹中轴线距离>齿顶中轴线距离，且作用力夹角>裂纹端点夹角时为第一区段划分；当裂纹中轴线距离<齿顶中轴线距离，或者，当齿根圆角中轴线距离>裂纹中轴线距离>齿顶中轴线距离，且作用力夹角<裂纹端点夹角时为第二区段划分；当裂纹中轴线距离>齿根圆角中轴线距离时为第三区段划分。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨翼，胡茑庆，张伦，程哲，陈凌，周洋，胡蛟，李月昊，尹正阳，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：