基于耗散理论的行星传动性能研究

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1、 分类号 UDC 密 级 学 号 1108020208 硕士学位论文硕士学位论文 基于耗散理论的行星传动性能研究基于耗散理论的行星传动性能研究 王王 向向 进进 学学 科科 门门 类：类： 工工 学学 学学 科科 名名 称：称： 机械设计及理论机械设计及理论 指指 导导 教教 师：师： 王慧武王慧武 副教授副教授 申申 请请 日日 期：期： 2014 年年 3 月月 摘要 I 西安理工大学硕士学位论文 II ABSTRACT III 西安理工大学硕士学位论文 IV gear train system specific structure, and got the actual transmis

2、sion efficiency and theoretical transmission efficiency of the system, which verifies the gear efficiency related theoretical analysis in This article. In this paper，the planetary gear transmission is studied from the viewpoint of energy dissipation, it improved the friction characteristics of the g

3、ear meshing theory, and provided the theoretical reference for the active design of planetary transmission. Keywords: Gear Meshing；Planetary Transmission；Dissipative Theory；Transmission Efficiency；Experimental Investigation *This project was funded by the National Natural Science Foundation of China

4、 （ Research on the system analysis methods for the Bifurcated Power Planetary Transmission ,item number: 51175419） 目录 V 目目 录录 1 绪论 . 1 1.1 课题研究背景及意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.3 本文主要研究内容 . 3 2 耗散理论简介 5 2.1 耗散力和耗散系统概念 . 5 2.2 耗散力的功率 . 5 2.3 耗散函数 . 6 2.4 耗散函数的物理意义 . 6 2.5 摩擦力和耗散力公式建立 . 7 2.6 本章小结 . 8 3 齿轮传

5、动动态耗散功率及传动效率计算 9 3.1 单对齿轮传动动态耗散功率计算 . 9 3.2 定轴轮系系统动态耗散功率计算 . 14 3.2.1 齿轮对 A 的啮合分析 . 15 3.2.2 齿轮对 B 的啮合分析 . 15 3.3 传动效率计算 . 17 3.3.1 单对齿轮传动效率的计算 17 3.3.2 定轴轮系系统传动效率的计算 20 3.4 本章小结 . 23 4 行星传动动态耗散功率及效率计算 25 4.1 行星轮系动态耗散功率及效率计算 . 25 4.1.1 行星轮系传动系统的机械能 25 4.1.2 作用在系统上的力 26 4.1.3 齿面啮合耗散功率的计算 27 4.1.4 转动副

6、摩擦力对应广义坐标的广义力 . 34 4.1.5 行星轮系耗散功率的计算 35 4.2 行星传动系统耗散功率的实例计算 35 4.2.1 行星轮系实例分析 . 35 4.2.2 差动轮系耗散功率及效率计算 36 4.3 本章小结 . 38 5 齿轮传动系统功率及效率计算方法比较 . 39 5.1 单对齿轮传动效率的传统计算方法 . 39 5.2 定轴轮系效率计算 40 西安理工大学硕士学位论文 VI 5.2.1 齿轮对 A 的啮合效率计算 40 5.2.2 齿轮对 B 的啮合效率计算 40 5.3 行星轮系效率的计算 . 41 5.3.1 理论分析 41 5.3.2 啮合损失系数 xm计算 4

7、3 5.3.3 实例计算 . 44 5.4 差动行星齿轮传动的效率计算 . 45 5.4.1 理论分析 45 5.4.2 实例计算 46 5.5 方法比较分析 . 47 5.6 本章小结 . 48 6 行星传动系统效率试验研究 . 49 6.1 试验设备简介 . 49 6.2 试验原理及方案 . 50 6.3 试验数据采集及分析 . 51 6.3.1 行星传动系统试验 51 6.3.2 单对齿轮传动效率试验 52 6.3.3 传动效率试验分析 52 6.4 本章小结 . 54 7 总结及展望 55 致谢 57 参考文献 59 附录 63 1 绪论 1 1 1 绪论绪论 1.11.1 课题研究背

8、景及意课题研究背景及意义义 齿轮传动是各种传动中应用最为广泛的一种传动形式，被应用于机械工业的各个领 域。行星齿轮传动与普通齿轮传动相比较，具有许多独特的优点 【1】 ：行星齿轮传动在传递 动力时可以进行功率分流；合理使用内啮合齿轮副传动；输入与输出轴共轴性。因此，基 于以上的优点， 行星齿轮传动被用来代替普通的齿轮传动， 用作机械传动系统中的减速器、 增速器和变速装置。 行星轮系由于结构上的内在因素，使其具有体积小、质量小、结构紧凑和传动效率高 的优点。尤其是在航空发动机、起重运输、石油化工和兵器等的齿轮传动装置，以及需要 差速器的汽车、 坦克等车辆的齿轮传动装置,行星齿轮传动已得到了越来越

9、广泛的应用 【2】 。 耗散理论 【3】 ， 即耗散结构理论， 是研究远离平衡态的开放系统从无序到有序状态的演 化规律的一种理论。 耗散结构是指处在远离平衡态的较复杂系统， 在外界能量流和物质流 的维持下， 通过自组织形成的一种新的有序结构。 目前人们已经使用这种理论在解决和处 理激光电子、 流体、 电路、 生命体和物理化学反应等方面， 取得了许多有意义的研究进展， 而且人们也运用耗散结构理论对一些新的现象进行了研究。 例如环境资源保护， 生态系统 中人口的具体分布，核能量的反应过程，城市交通运输和发展问题等，都可将其当作远离 平衡态的复杂系统来进行研究，现在这些方面的研究也都取得了一定的进展

10、。 “耗散” 的本意是指系统和外界之间所进行的物质和能量的交换， 这是它的一个特性。 目前， 还少有运用该理论在机械领域进行的相关研究。 由于行星轮系在工作过程中会产生 摩擦热，这些能量（热量）源源不断地散发到外界环境中去，故可将其视为一个与外界不 断交换能量（热量）的复杂系统。该研究基于能量耗散的观点对行星轮系传动过程进行分 析，进而得出行星传动的耗散功率、传动效率等参数指标，从全新的角度对行星轮系的相 关特性进行理论研究。 目前, 国内外众多学者提出了多种计算行星传动系统传动效率的方法, 比如啮合功 率法、传动比法、力偏移法和行列式法等,在这些方法中，最主要的计算方法是啮合功率 法 （又被

11、称为转化机构法） 。 但这些方法的出发点通常都是建立在刚体动力学的基础之上， 并没有考虑到传动系统的动态特性对传动效率的影响， 因此用这种方法求解出来的往往只 能是系统的静态效率， 也即平均传动效率， 无法准确有效的说明系统传递功率、 输入转速、 齿轮的制造误差等一系列因素，对整个系统的传动效率造成的影响,因此会造成理论得到 的计算传动效率会高于平时的实验效率。对于那些要求非常之高的高转速动力传动系统 (如航空飞行器中的齿轮系统)中的行星齿轮传动部分, 一旦工作转速达到它的一阶的临 界转速值, 如果依然按照传统的方法计算系统的传动效率, 那么就会产生比较大的误差。 因此, 需要建立动态情况下更

12、精确的效率计算方法， 从能量耗散的观点对行星轮系的功率 分配和动态传动效率的计算进行研究，从而设计出性能优良的行星齿轮传动装置。 西安理工大学硕士学位论文 2 1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状 行星齿轮传动由于采用了功率分汇流结构和动轴齿轮传动以及内啮合原理， 使其具备 了相对于普通定轴齿轮传动在技术和经济上的许多独特优点， 例如体积小、 功率重量比大、 易于实现运动的合成与分解等， 因而应用日益广泛， 故目前行星传动技术已成为世界各国 机械传动发展的重点方向之一。尤其是美国、德国、日本和英国等许多世界上工业水平很 高的一些国家， 他们都非常看重行星齿轮传动的生产和应用方面的研究。

13、他们在一些重要 领域，比如传动性能分析、转矩和转速、结构的优化、损失功率等方面的研究，都走在了 世界的前列。这些国家也研制出了许多新的技术，比如微型行星传动、行星齿轮变速传动 以及封闭行星齿轮传动等一系列专业技术， 并且都将这些新技术很好的应用在了现代的工 业生产中，制造了多种高效的传动设备。 随着制造技术的迅速发展以及行星齿轮传动在设计上的日益完善， 行星传动技术正向 以下几个方面发展 【4】 ： （1）高速大功率低速大转矩的复合轮系； （2）无级变速行星传动； （3）大传动比、大功率、高效率、小体积的复合式行星齿轮传动； （4）少齿差行星齿轮 传动； （5）多自由度封闭链复合轮系。其中，复

14、合式行星齿轮传动是行星传动发展的重点 方向之一。 复合式行星齿轮传动由定轴齿轮传动和行星齿轮传动或者几部分行星齿轮传动 组成，这种传动系统，功率传递路线存在一条以上可能的闭合回路时，称为功率分汇流传 动。近年来，国内外出现了一系列运用该原理组成的新型传动，其无可替代的特点使其占 据越来越重要的地位和作用，并且也受到了国内外的重视与大范围应用。因此，随着功率 分汇流行星传动理论的不断成熟与应用，将给未来传动技术的发展带来新的生机与活力。 目前国内外对于行星轮系传动效率的计算方法主要有 【5-10】 ：啮合功率法、力偏移法、 传动比法和结点效率法等， 其中以啮合功率法的应用最广泛。 但上述所有计算

15、方法均是静 态条件下的效率计算，并没有考虑齿间摩擦力、支撑刚度、齿轮偏差以及输入转速等因素 的影响，计算结果往往高于实验数据，造成较大的偏差。文献 【11】对高速状态下的行星传 动效率进行了研究， 提出了动态效率的概念， 并将输入转速对动态效率的影响进行了分析。 实际上， 目前对通常转速条件下， 轮系的动态效率计算问题及其影响因素的分析仍需要大 量的研究工作。文献 【12】直接在考虑齿面摩擦力的情况下，给出了平行轴齿轮副的机械效 率计算模型， 并对其进行了实验验证。 上述方法对于效率和功率流的分析原理和思想基本 相同，但其表达各不相同，其普遍性不足，计算过程复杂，工作量大。 事实上，当考虑系统

16、内部的摩擦力、刚度及轮齿误差的影响时，轮系内部的功率流将 呈现出非线性关系，原有线性系统下的叠加原理将不再成立。因而，前述的各种静态计算 法将不再适用于对系统动态功率的描述， 应根据系统的动力学方程综合考虑上述各种因素 对系统动态功率和效率的影响， 并在静态分析基础上通过实验方法建立动态计算的数值修 正模型，从而获得系统的动态特性。在此方面，1994 年以后在美国国家航空航天局、美 国军事研究中心 【13-14】以及福特汽车公司【15】等的资助下， 美国对行星齿轮传动弹性动力学 1 绪论 3 的诸多方面进行了较系统的研究工作，而我国对这一重要的研究课题则研究较少。 耗散理论是基于能量耗散的观点， 许多学者运用该理论在经典热力学方面取得了很大 的进展，文献 【16】说明耗散理论在处理导热问题上的优越性，并利用热力学关系, 推出了 换热器中由流体阻力引起的耗散表达式。 但它又可以用于其他的相关学科， 国内多位学者 也都在各自领域进行了相关的研究。在对岩石的研究方面，文献 【17】将岩石损伤过程视为 一种能