多間隙耦合的航天器齒輪機構(gòu)動力學(xué)分析與實驗研究.pdf

1、由于航空航天工程和高精度機械工程的不斷發(fā)展，對于機構(gòu)運動精度、運行穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命的要求越來越高。機構(gòu)中的間隙對于系統(tǒng)非線性動力學(xué)特性的影響也越來越受到人們的重視，尤其對于航天器而言，在空間微重力環(huán)境中，間隙對系統(tǒng)運動精度和運行穩(wěn)定性的影響尤為明顯。而齒輪機構(gòu)作為航天器中最為常用的傳動機構(gòu)，存在軸承徑向間隙和齒側(cè)間隙，這些間隙相互耦合相互影響，導(dǎo)致機構(gòu)動力學(xué)特性發(fā)生變化，甚至引起航天器性能和精度下降。本文針對航天器中齒輪機構(gòu)存在

2、的多間隙耦合問題，開展相應(yīng)的動力學(xué)建模、分析以及試驗研究，為航天機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、可靠性分析奠定基礎(chǔ)。
　　在多間隙齒輪系統(tǒng)的動力學(xué)建模方面，以單對齒輪為切入點，并逐步擴展到行星齒輪傳動系統(tǒng)以及衛(wèi)星天線雙軸驅(qū)動機構(gòu)上。針對單對齒輪中存在的多間隙問題，提出了一種新的考慮多間隙耦合的齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)建模方法。建立了多間隙耦合模型，利用二狀態(tài)模型描述軸承徑向間隙，利用徑向間隙函數(shù)描述齒側(cè)間隙的動態(tài)變化。在此基礎(chǔ)上，建立能夠考慮軸承徑向間

3、隙、齒側(cè)間隙以及時變嚙合剛度等因素的多間隙耦合齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)模型。并將多間隙耦合模型應(yīng)用到行星齒輪傳動系統(tǒng)和星間鏈路衛(wèi)星天線雙軸驅(qū)動機構(gòu)中，建立了相應(yīng)的動力學(xué)模型，為航天器機構(gòu)中間隙動力學(xué)的理論研究和工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
　　在試驗研究方面，建立了考慮多間隙耦合的齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)試驗臺，在試驗中同時考慮軸承徑向間隙和齒側(cè)間隙，并能夠?qū)崿F(xiàn)徑向間隙與齒側(cè)間隙的大小可調(diào)。通過對比分析不同轉(zhuǎn)速和間隙大小下振動特性的理論值與試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，相

4、比于傳統(tǒng)的多間隙模型，本文提出的多間隙耦合模型在頻率和振幅的計算上與試驗數(shù)據(jù)更為吻合，且能夠體現(xiàn)出轉(zhuǎn)速和間隙大小變化可能引發(fā)的系統(tǒng)諧振現(xiàn)象。
　　在動力學(xué)特性分析方面，本文對比分析了多間隙耦合模型與無耦合模型之間的差別，并進一步分析在多間隙耦合效應(yīng)的影響下，轉(zhuǎn)速、間隙大小等因素對于多間隙齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在多間隙耦合效應(yīng)的影響下，轉(zhuǎn)速和間隙大小對于齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)特性有非常明顯的影響。隨著轉(zhuǎn)速的提高，

5、徑向跳動逐漸減弱，而齒面沖擊逐漸增大。徑向間隙增大不但使齒輪系統(tǒng)的徑向誤差增大，還會增大轉(zhuǎn)角誤差，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。而隨著初始齒側(cè)間隙的增大，齒輪轉(zhuǎn)角誤差增大，齒輪嚙合力的幅值也隨之增大，齒輪的扭轉(zhuǎn)運動更為劇烈。通過頻譜分析，找到了可能引發(fā)系統(tǒng)諧振的轉(zhuǎn)速和間隙尺寸，為提高齒輪系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和可靠性提供指導(dǎo)。
　　對多間隙耦合的行星齒輪傳動系統(tǒng)的動力學(xué)特性研究結(jié)果表明，多間隙耦合效應(yīng)不但使得行星齒輪傳動系統(tǒng)出現(xiàn)運動偏差，導(dǎo)致動態(tài)嚙合

6、力增大，加劇行星齒輪與內(nèi)齒圈齒面之間的磨損，還會引發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部各構(gòu)件之間的耦合振動。同時在多間隙耦合效應(yīng)的影響下，轉(zhuǎn)速、間隙大小和負(fù)載都會對系統(tǒng)動力學(xué)特性產(chǎn)生明顯影響。轉(zhuǎn)速較高的情況下，行星齒輪的軸承徑向力和輪齒嚙合力都較大，且波動劇烈；行星架與行星齒輪徑向間隙大小對于系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響最為明顯，徑向間隙較大時，行星架與行星齒輪的軸承徑向接觸力明顯增大；較大的慣性負(fù)載有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；通過頻譜分析，找到了可能引發(fā)系統(tǒng)諧振的轉(zhuǎn)速

7、和間隙大小，在設(shè)計和使用過程中，應(yīng)該盡量避開諧振位置。
　　通過多間隙耦合效應(yīng)對衛(wèi)星天線雙軸驅(qū)動機構(gòu)的運動精度和運行穩(wěn)定性的影響規(guī)律研究可知：在單軸轉(zhuǎn)動過程中，俯仰軸轉(zhuǎn)動時應(yīng)選取較低的轉(zhuǎn)速，而方位軸轉(zhuǎn)動時可以適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速。而在雙軸轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)速為0.98°/s時系統(tǒng)的運動精度和運行穩(wěn)定性最好；方位軸轉(zhuǎn)動時關(guān)節(jié)受力較大，更容易引起磨損和疲勞；通過頻譜分析，分別找到了可能引發(fā)系統(tǒng)諧振時的方位軸和俯仰軸的間隙大小，在對雙軸驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計中