齿轮传动系统动力学的研究方向

陈文娟

（郑州煤机综机设备有限公司 郑州 450100）

齿轮传动系统动力学的研究方向

陈文娟

（郑州煤机综机设备有限公司 郑州 450100）

齿轮传动系统在机构中传递动力的部件中的作用越来越显著，围绕齿轮传动系统中振动和噪音方面，进行较为完整的阐述，相对详细的介绍了近年来国内外的研究近况。在理论层面，讨论了与齿轮系统动力学有联系的学科之间的发展情况，引进了非线性控制技术，为齿轮系统动力学未来的发展提供了有效的使用价值。

齿轮传动系统；摩擦磨损；非线性控制技术

1 齿轮传动系统的概述

1.1 齿轮传动系统的近况研究

齿轮传动系统是传递系统和动力的核心部件，在各个机械设备领域均有较广的应用，是整个机械系统的精度及其稳定性的重要决定因素之一，特别是在重载传动方面，齿轮传动系统更是有着很重要的位置。但是随着社会的不断进步，科学技术领域和生产力方面的飞速发展，人们对齿轮传动系统的要求更为严格。在某些特殊行业中，不可修复的情况最多，有的甚至连在轨更换也不可以。因此，我们必须尽可能使我们的产品转速更高，载荷量更大，噪音更低，使用时间更久。

1.2 齿轮传动系统的发展短板

伴随着传动载荷量和传动速度的日益提高，齿轮的传动过程中出现的振动和噪音问题也越来越严重，尤其是这两个方面对机械中的传动系统有着举足轻重的影响。因此，我们必须重视齿轮这方面的性能问题。在1971年，会田俊夫在《齿轮的设计与制造》一书中明确提出了这样的观点-“齿轮传动在强度方面的问题已经基本解决，目前亟待解决的重大技术课题是齿轮传动的振动和噪声问题”。但是，就目前来看，大多数齿轮设计者很难清晰的理解这方面。在他们的观念里，齿轮的设计方法应该将齿轮的运动和强度方面放在首要考虑因素，而将齿轮的噪音和振动方面视为可有可无的因素。因此，所设计的齿轮在传动性能方面有着很差的效果。

在1986年，日本机械工程学会对齿轮传动机构进行了全面的调查，相比较起来，人们认为低噪音和低振动这两个方面是凸显高性能齿轮传动机构的主要条件。在各种各样的机械中，都认为噪音问题、齿轮啮合的动力学问题和振动问题日益显著。由于振动越来越严重，带来了严重的磨损、疲劳破坏、振动问题和噪音的后果，甚至使实际运动规律与理论运动规律背道而驰，从而导致了严重的误差，使器械在工作方面缺乏安全性和可靠性，更有甚者，可能会使齿轮或其他机件直接处于瘫痪状态。根据理论来看，渐开线齿轮传动具有较强的平稳性，但是实际上，在齿轮传动系统运行的时候，通常会产生极为强烈的振动和噪杂的噪声。由于齿轮的误差和齿轮啮合刚度的变化，引起齿轮的振动，这种振动可以直接发射到空气中，也可以通过轴等构件间接地发射到空气中，发射过程中，往往会因为冲击产生强迫振动，导致齿轮装置的每一个部分都被振动，最终产生二次共振、共鸣噪声。就是这种原理导致的齿轮振动和噪音问题。国内外学者已经广泛关注关于震动和噪音的齿轮机构动力学问题。在非线性动力学理论日益强大的基础下，很多学者也尝试依靠这个理论为依据，考虑间隙和润滑油膜等一些非线性因素，建立一个符合齿轮传动机结构的非线性动力模型。能够为进一步降低齿轮传动机的振动和噪音方面提供有效的理论基础。从当今发展的情形看，齿轮传动设计仍然是属于在工程的结构方向上，难度很大，但是形式新颖的前沿性难题，对其进行研究就要有很重要的现实意义和价值。

1.3 影响传动的因素

齿轮振动和噪音问题的影响因素主要分为两类：外部因素和内部因素。外部因素主要包括传递载荷和运动速度，这两个因素主要取决于使用要求和工作条件。内部因素基本上是指齿轮自身的内部构造问题，比如关于齿轮的参数和制造的精度问题。优化加工工艺的流程，会使误差因素的影响力减弱。但是，齿轮噪声的原理性因素是在齿轮啮合过程中所产生的，这种激励是动态的。一般来说，齿轮的啮合刚度变化和间隙是齿轮噪声比较重要的影响因素。但是，有时虽然齿轮的加工过程和安装精度都非常高，仍然会引起甚至突出地表现让我们认为是这种因素所造成的振动和噪音。其实这是因为齿轮的结构设计。

2 与其他学科方向的交叉发展

伴随着科学技术的进步，人们对机械产品的要求不仅限于外表和更新换代的速度，着重的要求机械产品的性能。因此，在设计齿轮传动系统中，无论是理论知识的储备方面，还是设计产品的过程中，我们都应该紧密地结合各个研究方向，精确的分析各个方向之间的交叉点。

2.1 非线性控制技术研究

齿轮传动系统是一个较复杂的系统。一个齿轮产品在设计过程和加工操作中，会出现齿轮间隙以及摩擦等一些非线性因素，同时由于我国现有的测量仪器的性能仍有待改善，齿轮系统中的很多参数和因素不能精密测量，从而带来了较大的误差。从此可以看出，传统的动力学模型控制器已经无法精确的控制非线性系统，为了优化齿轮传动系统的性能，我们就应该着手降低非线性因素对系统特性的干扰。

近年来，人们对齿轮系统动力学的内容的研究逐渐加深，非线性理论也在快速发展，建立在现代控制理论基础上的新方法也不断出现，其中比较重要的理论基础有：自适应控制理论、变结构控制理论基础、非线性理论基础、智能控制理论基础等。在1991年孙西在具有间隙非线性系统的自适应控制一文中，提出了关于伪线性化或预补偿后的广义线性系统这两个系统施加自适应控制的策略，1999年刘兵在具有间歇预补偿的非线性预测控制一文中对该方法也有所阐述。

2.2 齿轮摩擦磨损研究

在齿轮运转过程中，轮齿与轮齿之间相对滑动，而且受复杂的力学环境作用，一定会导致轮齿发生磨损，磨损是沿齿廓方向的，而且是不规则分布的。相反，由于齿轮的磨损又将带来齿轮系统的动力学特性的性能降低。因此，我们应将齿轮系统的动力学及摩擦磨损综合起来分析。

根据以上的分析来看，现在的研究者大多数只研究孤立的领域，没有考虑到各个领域之间的联系，大多数的研究都是通过假设某个条件来处理两者之间的耦合问题。因此，得到的成果相对较少。但是，万物之间，息息相关，没一个学科都不可能是孤立存在的，学科之间的交叉可以带来更丰富的内容。Wojnarowski Jozef在Tooth Wear Effects on Spur Gear Dynamics一文中提出了关于轮齿磨损对系统动力学特性影响的研究，通过建立磨损后齿形的数学模型，详细分析了由于磨损对轮齿啮合线和传动比所造成的不良影响，而且随着磨损程度加深，轮齿间的啮合力也将急剧增大。Huali Ding在Interactions between Nonlinear Spur Gear Dynamics and Surface Wear一文中提出应综合考虑齿轮磨损及动力学两者之间的相互作用，研究磨损后齿廓对齿轮系统动力学及振动特性的影响。最终研究表明，磨损加剧齿轮的振动与噪声。

研究齿轮系统动力学应该按照三个步骤来进行分析：①我们要尽最大可能的修复好磨损的部件，建立一个能够准确描述磨损后那个轮齿的数学模型；②建立一个能够与磨损后样貌相吻合的齿轮系统动力学模型；③将磨损模型与参数的动态变化结合在一起。

3 总结

通过上面的表述，虽然关于齿轮系统动力学问题的研究有很多，也取得了一定的研究成果。但是，在机械系统的精度和平稳性能方面，相关研究明显很少，目前已呈现出工程需求与实际器械性能相差太远的趋势。为了缩小两者之间的差距，我们就不能单单的考虑齿轮副的扭转运动，应该建立精准的三维模型。随着科学技术的飞速发展，我们应该将非线性技术应用于齿轮系统的设计中，这样才能够保证传动精度和使用寿命越来越接近我们的理想值。

[1]孙西，周立峰.具有间隙非线性系统的自适应控制[J].控制理论与应用，2015，8（01）：96～100.

[2]刘兵，冯纯伯，李长庚.具有间隙预补偿的非线性预测控制[J].控制理论与应用，2014，16（2）：241～243.

TH132.41

A

1004-7344（2016）16-0245-02

2016-5-19

陈文娟（1983-），女，助理工程师，本科，主要从事机械设计工作。