考虑轴承内部时变特性的行星变速机构动态特性获取方法及系统技术方案

本发明专利技术属于行星齿轮技术领域，具体公开了一种考虑轴承内部时变特性的行星变速机构动态特性获取方法及系统，该方法基于行星齿轮传动机构的轴承的尺寸数据，计算轴承的滚珠与内外圈的接触角，接触载荷，内外圈变形，以及支撑刚度，再计算轴承内、外圈安装后的游隙变化量，获取行星齿轮传动机构的动力学方程，建立行星轮系平扭模型；计算行星架/轴承座对轴承外圈动载和变形、传动轴对内圈动载和变形，并计算t

【技术实现步骤摘要】
考虑轴承内部时变特性的行星变速机构动态特性获取方法及系统


[0001]本专利技术属于行星齿轮
，涉及一种考虑轴承内部时变特性的行星变速机构动态特性获取方法及系统。

技术介绍

[0002]行星齿轮传动机构由于其结构紧凑、高扭矩传递能力和高可靠性等优点，在航空航天、船舶潜艇、风力发电等领域的重型装备行业得到了普遍应用。行星传动齿轮往往处于高速运转状态，常常因为加工、装配误差的存在以及运行中刚度的变化而产生振动，从而对传动系统精度和稳定性造成影响，严重时将造成断齿毁机等重大事故，因此进行相关动力学研究具有重要工程意义。
[0003]行星齿轮传动机构(如图1所示，图中B1
‑
B5：代表各滚动轴承)，由太阳轮、齿圈、行星架、行星轮、传动轴和滚动轴承组成。在研究学者先前建立的行星齿轮传动机构动力学模型中，滚动轴承通常被简化为简单的线性弹簧
‑
阻尼器元件，且未考虑轴承内外圈与行星传动机构部件的配合关系。然而，轴承支撑刚度的时变特性和轴承受载后配合间隙的变化，会显著的影响行星齿轮传动机构的动态特性、运行可靠性和使用寿命。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种考虑轴承内部时变特性的行星变速机构动态特性获取方法及系统，获取轴承内外圈与行星传动机构部件的配合关系，为轴承动载的抑制和行星齿轮传动机构样机动态特性匹配优化设计提供理论基础。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术的基础方案为：一种考虑轴承内部时变特性的行星变速机构动态特性获取方法，包括如下步骤：
[0006]S1，采集行星齿轮传动机构的各部件的尺寸数据，所述尺寸数据至少包括轴承内、外圈的内外直径，轴承内、外圈的游隙，轴承内圈配合间隙，轴承内圈齿侧间隙；
[0007]S2，基于行星齿轮传动机构的轴承的尺寸数据，结合变形协调方程和静力平衡方程，计算轴承的滚珠与内外圈的接触角(β
ij
，β
oj
)，接触载荷(Q
ij
，Q
oj
)，内外圈变形(u
i
，u
o
)，以及支撑刚度；
[0008]根据轴承内、外圈的内外直径，以及轴承安装前的游隙，计算轴承内、外圈安装后的游隙变化量；
[0009]根据获得的轴承的滚珠与内外圈的接触角(β
ij
，β
oj
)，接触载荷(Q
ij
，Q
oj
)，内外圈变形(u
i
，u
o
)，支撑刚度，以及轴承内、外圈安装后的游隙变化量，获取行星齿轮传动机构的动力学方程，建立行星轮系平扭模型；
[0010]在给定的时间步长t
i
内，当中介支撑轴承内外圈同时旋转时，计算行星架/轴承座对轴承外圈动载f
o
和变形δ
o
、传动轴对内圈动载f
i
和变形δ
i
，并计算t
i
时刻系统的支撑刚度和动态响应，求出下一个时间步长t
i+1
内各部件动态响应，并循环迭代直至完成动态特性预
估；
[0011]S3，判断轴承动态载荷是否超出阈值，若没有超出阈值则退出；若超出阈值，则减小轴承内圈配合间隙或齿侧间隙，返回步骤S2，减少齿轮传动的冲击动载，降低噪声振动，延长行星机构寿命。
[0012]本基础方案的工作原理和有益效果在于：本技术方案建立了一种多源激励影响下行星齿轮传动机构的平扭动力学模型，以获取行星传动机构各部件的动态特性，考虑了滚动轴承在受载后的支撑刚度的变化特性，以及滚动轴承与轴和轴承座在受力后配合间隙的变化，对行星齿轮传动机构动态响应的影响。
[0013]对于行星齿轮传动机构结构设计具有显著的指导意义，可以为轴承动载的抑制和行星齿轮传动机构样机动态特性匹配优化设计提供理论基础。可以对轴承运动特性和传动性能进行分析和优化设计，以提高其工作效率和传动稳定性，进而降低机械系统的能耗和成本。行星轮系平扭模型能够预测机构在不同工况下的运动状态和传动特性，提高机械系统的可靠性和使用寿命。
[0014]进一步，变形协调方程和静力平衡方程的计算方法为：
[0015]当轴承内、外圈都转动时，分别定义其内圈、外圈的5自由度矢量为u
i
＝{x
i
,y
i
,z
i
,θ
xi
,θ
yi
}
T
和u
o
＝{x
o
,y
o
,z
o
,θ
xo
,θ
yo
}
T
，x
i
,y
i
,z
i
,θ
xi
,θ
yi
是内圈的x、y、z轴平移矢量以及绕x、y轴的旋转矢量，x
o
,y
o
,z
o
,θ
xo
,θ
yo
是外圈的x、y、z轴平移矢量以及绕x、y轴的旋转矢量；
[0016]对于轴承的第j个滚珠，分别定义内圈、外圈沟道中心O
ij
、O
oj
在接触平面内的3自由度矢量为δ
ij
＝{v
ij
,w
ij
,θ
uij
}
T
和δ
oj
＝{v
oj
,w
oj
,θ
uoj
}
T
，v
ij
,w
ij
,θ
uij
是内圈接触平面x和y轴平移矢量以及v
‑
w平面内的旋转矢量，v
oj
,w
oj
,θ
uoj
是外圈接触平面x和y轴平移矢量以及v
‑
w平面内的旋转矢量；
[0017]基于小变形假设，满足以下变形关系：
[0018]δ＝Tu
[0019]其中，δ为轴承内圈沟道中心O
ij
在接触平面内的变形，T为轴承坐标变化矩阵，u为轴承内圈在固定坐标系内的变形；
[0020]当轴承受力变形后，轴承内圈、外圈沟道中心发生移动，根据几何变形关系，得到变形协调方程：
[0021][0022]其中，A
wj
为轴承变形后内外圈沟道曲率中心w轴方向距离；X
wj
为轴承内圈沟道曲率中心与第j个滚子中心w轴方向距离；A
vj
为轴承变形后内外圈沟道曲率中心v轴方向距离；X
vj
为轴承内圈沟道曲率中心与第j个滚子中心v轴方向距离；l
ij
为变形前轴承内圈沟道曲率中心与第j个滚子中心本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑轴承内部时变特性的行星变速机构动态特性获取方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，采集行星齿轮传动机构的各部件的尺寸数据，所述尺寸数据至少包括轴承内、外圈的内外直径，轴承内、外圈的游隙，轴承内圈配合间隙，轴承内圈齿侧间隙；S2，基于行星齿轮传动机构的轴承的尺寸数据，结合变形协调方程和静力平衡方程，计算轴承的滚珠与内外圈的接触角(β
ij
，β
oj
)，接触载荷(Q
ij
，Q
oj
)，内外圈变形(u
i
，u
o
)，以及支撑刚度；根据轴承内、外圈的内外直径，以及轴承安装前的游隙，计算轴承内、外圈安装后的游隙变化量；根据获得的轴承的滚珠与内外圈的接触角(β
ij
，β
oj
)，接触载荷(Q
ij
，Q
oj
)，内外圈变形(u
i
，u
o
)，支撑刚度，以及轴承内、外圈安装后的游隙变化量，获取行星齿轮传动机构的动力学方程，建立行星轮系平扭模型；在给定的时间步长t
i
内，当中介支撑轴承内外圈同时旋转时，计算行星架/轴承座对轴承外圈动载f
o
和变形δ
o
、传动轴对内圈动载f
i
和变形δ
i
，并计算t
i
时刻系统的支撑刚度和动态响应，求出下一个时间步长t
i+1
内各部件动态响应，并循环迭代直至完成动态特性预估；S3，判断轴承动态载荷是否超出阈值，若没有超出阈值则退出；若超出阈值，则减小轴承内圈配合间隙或齿侧间隙，返回步骤S2。2.如权利要求1所述的考虑轴承内部时变特性的行星变速机构动态特性获取方法，其特征在于，变形协调方程和静力平衡方程的计算方法为：当轴承内、外圈都转动时，分别定义其内圈、外圈的5自由度矢量为u
i
＝{x
i
,y
i
,z
i
,θ
xi
,θ
yi
}
T
和u
o
＝{x
o
,y
o
,z
o
,θ
xo
,θ
yo
}
T
，x
i
,y
i
,z
i
,θ
xi
,θ
yi
是内圈的x、y、z轴平移矢量以及绕x、y轴的旋转矢量，x
o
,y
o
,z
o
,θ
xo
,θ
yo
是外圈的x、y、z轴平移矢量以及绕x、y轴的旋转矢量；对于轴承的第j个滚珠，分别定义内圈、外圈沟道中心O
ij
、O
oj
在接触平面v
‑
w内的3自由度矢量为δ
ij
＝{v
ij
,w
ij
,θ
uij
}
T
和δ
oj
＝{v
oj
,w
oj
,θ
uoj
}
T
，v
ij
,w
ij
,θ
uij
是内圈接触平面x和y轴平移矢量以及v
‑
w平面内的旋转矢量，v
oj
,w
oj
,θ
uoj
是外圈接触平面x和y轴平移矢量以及v
‑
w平面内的旋转矢量；基于小变形假设，满足以下变形关系：δ＝Tu其中，δ为轴承内圈沟道中心O
ij
在接触平面内的变形，T为轴承坐标变化矩阵，u为轴承内圈在固定坐标系内的变形；当轴承受力变形后，轴承内圈、外圈沟道中心发生移动，根据几何变形关系，得到变形协调方程：其中，A
wj
为轴承变形后内外圈沟道曲率中心w轴方向距离；X
wj
为轴承内圈沟道曲率中心与第j个滚子中心w轴方向距离；A
vj
为轴承变形后内外圈沟道曲率中心v轴方向距离；X
vj
为轴承内圈沟道曲率中心与第j个滚子中心v轴方向距离；l
ij
为变形前轴承内圈沟道曲率中心与第j个滚子中心距离；l
oj
为外圈沟道曲率中心与第j个滚子中心距离；
根据轴承的第j个滚珠在接触平面内的受力状态，对其进行受力分析可得到对应的在V轴和W轴的静力平衡方程：其中，Q
ij
,Q
oj
分别为内、外圈对第j个滚珠的赫兹接触力,即接触载荷，且Q
ij
＝χ
ij
K
ij
(δ
ij
)
1.5
,Q
oj
＝χ
oj
K
oj
(δ
oj
)
1.5
；K
ij
和K
oj
分别为内、外圈对第j个滚子赫兹接触刚度；δ
ij
和δ
oj
分别为内外圈接触变形；χ
ij
和χ
oj
分别为内外圈接触系数；f
ij
,f
oj
分别为由滚珠回转力矩M
gj
引起的内、外圈对滚珠在接触平面内的等效摩擦力；F
cj
为第j个滚珠在滚道内公转受到的离心力；给定内、外圈在5个自由度方向的外力和外力矩向量：f
i
＝{f
xi
,f
yi
,f
zi
,M
xi
,M
yi
}
T
和f
o
＝{f
xo
,f
yo
,f
zo
,M
xo
,M
yo
}
T
，则内、外圈在5个自由度方向上的静力平衡方程为：其中，f
i
和f
o
向量内的各变量分别表示内外圈沿x、y与z轴方向的外力以及绕x与y轴的力矩；ψ
ij
＝{Q
ij
cosβ
ij
+f
ij
sinβ
ij
,Q
ij
sinβ
ij
‑
f
ij
cosβ
ij
,f
ij
r
gi
}
T
和ψ
oj
＝{
‑
Q
oj
cosβ
oj
‑
f
oj
sinβ
oj
,
‑
Q
oj
sinβ
oj
+f
oj
cosβ
oj
,f
oj
r
go
}
T
分别为内、外圈对第j个滚珠B
j
在接触平面内三个方向的接触力和力矩矢量；N
b
为轴承滚动体数目；T
ij
为内圈转动外圈固定的球轴承轴承坐标变化矩阵，T
oj
为内圈固定外圈转动的球轴承坐标变化矩阵，r
gi
为内圈沟道曲率半径；r
go
为外圈沟道曲率中心半径。3.如权利要求1所述的考虑轴承内部时变特性的行星变速机构动态特性获取方法，其特征在于，结合变形协调方程和静力平衡方程，采用牛顿
‑
拉夫森迭代法，在给定内、外圈变形u
i
和u
o
初始值情况下进行迭代求解；根据求解结果，计算轴承滚珠与内外圈的接触角(β
ij
，β
oj
)，接触载荷(Q
ij
，Q
oj
)，内外圈变形(u
i
，u
o
)，以及支撑刚度。4.如权利要求3所述的考虑轴承内部时变特性的行星变速机构动态特性获取方法，其特征在于，对于内外圈都转的轴承，根据内外圈静力平衡方程中的轴承内外圈支撑力f
i
和f
o
，以及轴承内外圈变形u
i
和u
o
，计算轴承的刚度矩阵K
B
：其中，K
ii
为f
i
对u
i
求导得到的导函数；K
io
为f
i
对u
o
求导得到的导函数；K
oo
为f
o
对u
o
求导得到的导函数；K
oi
为f
o
对u
i
求导得到的导函数。5.如权利要求1所述的考虑轴承内部时变特性的行星变速机构动态特性获取方法，其特征在于，计算轴承内圈安装后的游隙变化量的方法如下：设轴承内圈的外径为D1，内径为D
s
，则由压配合引起的D1的增加量Δ
s
为：
其中，I为直径过盈量，ν为泊松比，D2为内圈内径；根据内圆环的安装方式，确定内圆环内径缩小量Δ
h
：其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：余文念，余永波，章朝栋，许晋，刘月秋，张玉东，余诗乐，何志祥，陈子旭，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：