吉林大学学报(工学版) ›› 2025, Vol. 55 ›› Issue (8): 2487-2500.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb.20231312
• 车辆工程·机械工程 • 上一篇
刘长钊1,2(
),宋健1,2,李峥琪1,2,张铁1,2,王磊1,2
Chang-zhao LIU1,2(
),Jian SONG1,2,Zheng-qi LI1,2,Tie ZHANG1,2,Lei WANG1,2
摘要:
为提高功率密度,航空齿轮通常采用薄腹板、薄轮缘等薄壁结构,但这会使齿轮高度柔性化,进而导致动力学性能下降。在高速薄壁齿轮设计中,如何平衡轻量化和动力学性能,以实现系统性能最优是一大难题。因此,本文首先考虑薄壁齿轮、轴和箱体等构件柔性、齿轮6自由度以及离心力、惯性力的影响,建立了高速薄壁齿轮系统柔性多体动力学模型,并通过实验进行了验证。其次,提出了基于柔性齿轮动力学的高速薄壁齿轮多目标轻量化优化设计方法。优化设计中,基于高速薄壁齿轮动力学仿真,建立了动力学性能、强度、疲劳寿命评价指标;采用参数-性能相关性分析方法,选取了影响较大的参数进行优化。最后,开展了多目标轻量化设计研究,获得了相比传统设计振动噪声更低、重量更轻的高速薄壁齿轮系统。
中图分类号:
| [1] | 刘更. 齿轮传动装置低噪声设计理论和方法[M]. 北京: 科学出版社, 2021. |
| [2] | Arakere N K, Nataraj C. Vibration of high-speed spur gear webs[J]. Journal of Vibration and Acoustics (Transactions of the Asme), 1998, 120(3):791-800. |
| [3] | Taskinoglu E E, Ozturk V Y, Paca Y. Gear web and rim thickness optimization to improve vibration and fatigue reliability of a rotary UAV gearbox[C]∥Proceedings of the International Conference on Noise and Vibration Engineering (ISMA)/International Conference on Uncertainty in Structural Dynamics (USD) Leuven: Katholieke Universiteit Leuven, 2012: 1361-1371. |
| [4] | Vahabi H, Panahi M S, Shirazinezhad R P, et al. A neuro-genetic approach to the optimal design of gear-blank lightening holes[J]. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 2016, 38(1): 277-286. |
| [5] | Yang J R, Zhang Y H, Lee C H. Multi-parameter optimization-based design of lightweight vibration- reduction gear bodies[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2022, 36(4): 1879-1887. |
| [6] | Cosco F, Adduci R, Muzzi L, et al. Multiobjective design optimization of lightweight gears[J]. Machines, 2022, 10(9): 1-15. |
| [7] | 宗长富, 任明辉, 万滢, 等. 变速器斜齿轮宏观参数减振优化设计[J]. 吉林大学学报:工学版, 2016, 46(6): 1772-1779. |
| Zong Chang-fu, Ren Ming-hui, Wan Ying, et al. Optimization of macro-geometric parameters of helical gears of transmissions to reduce vibration[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2016, 46(6): 1772-1779. | |
| [8] | 杨红波, 史文库, 陈志勇, 等. 基于NSGA-Ⅱ的斜齿轮宏观参数多目标优化[J]. 吉林大学学报: 工学版, 2023, 53(4): 1007-1018. |
| Yang Hong-bo, Shi Wen-ku, Chen Zhi-yong, et al. Multi⁃objective optimization of macro parameters of helical gear based on NSGA⁃Ⅱ [J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2023, 53(4): 1007-1018. | |
| [9] | 陈营利. 增速齿轮箱体有限元分析及其结构优化[D]. 哈尔滨:哈尔滨工程大学机电工程学院, 2009. |
| Chen Ying-li. The finite element analysis and optimization for speed-increasing gearbox housing[D]. Harbing: School of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Engineering University, 2009. | |
| [10] | 薛云伟. 航空齿轮的结构轻量化设计及其动力学分析[D]. 太原:太原理工大学机械工程学院, 2018. |
| Xue Yun-wei. Lightweight desion and dynamic analysis of aviation gear[D]. Taiyuan: School of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Technology, 2018. | |
| [11] | 王雁东, 陈思雨, 唐进元. 一种基于OptiStruct-Abaqus的航空齿轮腹板轻量化设计方法[J]. 机械传动, 2019, 43(7): 60-65. |
| Wang Yan-dong, Chen Si-yu, Tang Jin-yuan. A lightweight design method for aviation gear web based on OptiStruct-Abaqus[J]. Journal of Mechanical Transmission, 2019, 43(7): 60-65. | |
| [12] | Ambarisha V K, Parker R G. Nonlinear dynamics of planetary gears using analytical and finite element models[J]. Journal of Sound and Vibration, 2007, 302(3): 577-595. |
| [13] | Bettaieb M N, Velex P, Ajmi M. A static and dynamic model of geared transmissions by combining substructures and elastic foundations-applications to thin-rimmed gears[J]. Journal of Mechanical Design, 2007, 129(2): 184-194. |
| [14] | Wu X, Parker R G. Modal properties of planetary gears with an elastic continuum ring gear[J]. Journal of Applied Mechanics, 2008, 75(3): 031014. |
| [15] | Guilbert B, Velex P, Dureisseix D, et al. Modular hybrid models to simulate the static and dynamic behaviour of high-speed thin-rimmed gears[J]. Journal of Sound and Vibration, 2018, 438: 353-380. |
| [16] | Sun Z, Tang J Y, Chen S Y, et al. Mesh stiffness and dynamic response analysis of modified gear system with thin web and weight reduction holes[J]. Journal of Sound and Vibration, 2023, 546: 117437. |
| [17] | Liu C, Zhao Y, Wang Y, et al. Hybrid dynamic modeling and analysis of high-speed thin-rimmed gears[J]. Journal of Mechanical Design, 2021, 143(12): 1-23. |
| [18] | 石嫄嫄, 和庆冬, 吴衍剑, 等. 基于多失效模式的海上浮式风电机组结构可靠性研究[J]. 太阳能学报, 2022, 43(9): 236-241. |
| Shi Yuan-yuan, He Qing-dong, Wu Yan-jian, et al. Multi-mode reliability analysis on structural of offshore floating wind turbine[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2022, 43(9): 236-241. | |
| [19] | 唐鑫,朱如鹏,廖梅军,等. 第三代航空齿轮钢圆柱齿轮弯曲疲劳强度性能测试分析[J]. 航空动力学报, 2021, 36(8): 1756-1764. |
| Tang Xin, Zhu Ru-peng, Liao Mei-jun, et al. Analyse bending fatigue strength test of cylindrical gear of third-generation aviation gear steel[J]. Journal of Aerospace Power, 2021, 36(8): 1756-1764. |
| [1] | 黄贤振,马明斐,李超,王旭,荣治明. 机床回转工作台变形全局可靠性灵敏度分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(6): 1906-1914. |
| [2] | 付学中,何厚冰,刘旭东,李静珍. 非正交偏置变位一体化的斜齿面齿轮齿宽设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(4): 1207-1214. |
| [3] | 袁杰,王军博,陈歆,黄馨,张傲翔,崔安琪. 人工智能在超高性能混凝土中的应用研究进展[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(3): 771-789. |
| [4] | 程德强,刘规,寇旗旗,张剑英,江鹤. 基于自适应大核注意力的轻量级图像超分辨率网络[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(3): 1015-1027. |
| [5] | 宋剑锋,黄鑫磊,王思然,谢光耀,董永刚. C80列车长大下坡周期制动踏面疲劳寿命预测[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(3): 866-876. |
| [6] | 曲俊龙,史文库,玄圣夷,陈志勇. 面向汽车传动系统多挡共振的多级吸振器参数设计方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(2): 444-455. |
| [7] | 董华松,连远锋. 海量数字媒体视频无损转码重压缩的轻量化检测算法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(2): 741-747. |
| [8] | 王淑坤,冯育泽,张景然,张心明,郑龙. 仿清道夫下唇结构除污性能分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(1): 392-400. |
| [9] | 黄贤振,于瑞,刘慧珍,唐继武. 考虑轴承非线性恢复力的主轴振动可靠性分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(1): 116-124. |
| [10] | 王琛,雒特,惠倩倩,王忠昊,王方方. 面向分体式飞行汽车对接锁定的机电系统设计与验证[J]. 吉林大学学报(工学版), 2024, 54(8): 2130-2140. |
| [11] | 刘洋. 橡胶鞋底弹性打磨仿真及试验[J]. 吉林大学学报(工学版), 2024, 54(8): 2167-2173. |
| [12] | 刘洋,江涛. 计及安装角的六自由度平台虎克铰干涉计算模型[J]. 吉林大学学报(工学版), 2024, 54(6): 1519-1527. |
| [13] | 王磊,李东侠,周松,回丽,沈振鑫. 2024-O铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳裂纹扩展行为及寿命预测[J]. 吉林大学学报(工学版), 2024, 54(6): 1563-1569. |
| [14] | 陈涛,周志刚,雷楠南. 粒子群算法下汽车机械式自动变速系统参数多目标优化[J]. 吉林大学学报(工学版), 2024, 54(5): 1214-1220. |
| [15] | 谭晓丹,王勇澎,Hall Robert,徐天爽,黄庆学. 面向电铲自主装卸的矿用自卸车斗型优化[J]. 吉林大学学报(工学版), 2024, 54(5): 1227-1236. |
|
||