摘要
螺旋锥齿轮传动系统通过螺旋锥齿轮副联接驱动轴和从动轴，可实现轴间的转速、扭矩传递，改变动力传递方向。广泛的应用于船舶、航空、航天、汽车等工程领域。螺旋锥齿轮副长期工作在交变工况中，轮齿极易出现断齿故障。产生断齿故障后将直接导致螺旋锥齿轮副的啮合激励产生异常变化，进而导致传动系统出现异常的扭转振动，甚至危害设备的使用寿命。因此研究断齿故障状态下传动系统的扭振响应特性对齿轮箱运行状态监测及故障诊断意义重大。项目研究工作可为齿轮箱工作状态监测以及螺旋锥齿轮故障诊断提供参考。主要研究内容与结论如下： 1.以某型直升机尾传动系统为研究对象，基于当量化建模方法，建立了螺旋锥齿轮传动系统当量化有限元模型；研究了扭振固有频率和模态振型，传动系统除第1、2阶固有频率为系统耦合派生外其余各阶均来自于各组成轴，并通过与已有文献中模型的固有频率进行对比，验证了本文传动系统模型的正确性；传动系统各齿轮的转动惯量与固有频率变化的数值值呈正相关，齿轮副啮合刚度变化对各阶固有频率的影响不同，其中对第1、2阶的影响较大。 2.基于三维建模软件建立了含断齿故障的螺旋锥齿轮副模型，将其导入Ansys中进行切齿和网格划分，最后进行有限元接触分析；随着断齿故障程度的增大，螺旋锥齿轮轮齿变形量和啮合力出现不同程度的变化；基于啮合原理计算了多种断齿故障模型的啮合激励；通过实验与仿真数据频谱的对比分析，验证了含断齿故障的螺旋锥齿轮副模型的有效性。 3.将含断齿故障的螺旋锥齿轮副模型植入已建立的当量化有限元模型中，从时域、时域指标和频域三个方面进行扭振响应分析；轴节点中水平轴节点的振动幅值最大，尾斜轴次之，齿轮节点中尾减速器从动齿轮节点振动幅值最大，中间减速器从动齿轮次之，尾减速器主动齿轮最小，齿轮节点的振幅与齿轮的转动惯量成正相关；时域指标中峰值因子和裕度因子对断齿故障程度的变化比较敏感；轴节点的频域图中以水平轴的转频和为主，齿轮节点中以两级减速器的啮合频率及其倍频为主；随着断齿故障程度的加重，齿轮节点频谱图中低于一阶啮合频率的低频带越丰富，其中蕴含的能量越高。
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