疲劳点蚀斜齿轮动力学仿真预测与故障识别试验研究

doi:10.3901/JME.2021.09.061

机械工程学报 ›› 2021, Vol. 57 ›› Issue (9): 61-70.doi: 10.3901/JME.2021.09.061

扫码分享

疲劳点蚀斜齿轮动力学仿真预测与故障识别试验研究

陈勇¹, 李金锴¹, 臧立彬¹, 刘意气², 毕旺洋¹, 杨小朋¹

1. 河北工业大学天津市新能源汽车动力传动与安全技术重点实验室天津 300130;
2. 浙江吉利动力总成有限公司宁波 315800

收稿日期:2020-06-23 修回日期:2020-12-10 出版日期:2021-05-05 发布日期:2021-06-15
通讯作者: 臧立彬(通信作者)，男，1990年出生，博士研究生。主要研究方向为齿轮表面改性与齿轮摩擦学。E-mail：zanglibin906@163.com
作者简介:陈勇，男，1954年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为汽车变速器开发与高强度齿轮技术。E-mail：chenyong1585811@163.com;李金锴，男，1996年出生，硕士研究生。主要研究方向为变速器齿轮故障诊断。E-mail：15612032102@163.com
基金资助:
国家重点研发计划（2018YFE0207000）、国家留学基金委（201906700014）和河北省全职引进高端人才资助项目。

Dynamic Simulation and Experimental Identification for Fatigue Pitting Helical Gear Fault

CHEN Yong¹, LI Jinkai¹, ZANG Libin¹, LIU Yiqi², BI Wangyang¹, YANG Xiaopeng¹

1. Tianjin Key Laboratory of Power Transmission and Safety Technology for New Energy Vehicles, Hebei University of Technology, Tianjin 300130;
2. Zhejiang Geely Powertrain Co. Ltd, Ningbo 315800

Received:2020-06-23 Revised:2020-12-10 Online:2021-05-05 Published:2021-06-15

摘要/Abstract

摘要： 斜齿轮是汽车变速器的核心传动零部件，齿面点蚀是影响汽车变速器传动平稳与可靠性的主要故障形式之一。通过冲击函数法，接触线百分比法和齿轮系统动力学理论，建立了不同点蚀类型的斜齿轮系统动力学模型，分析了点蚀斜齿轮系统的动态响应。同时，通过齿轮疲劳点蚀试验，获得了不同点蚀程度齿轮振动加速度信号，并通过快速傅里叶变换（Fast Fourier transformation，FFT）分析，得到了不同点蚀程度对齿轮振动加速度的时域和频域特征变化规律，验证了动力学模型的准确性。结果表明，运用动力学方法分析斜齿轮系统动态响应可以对斜齿轮点蚀程度和点蚀形式进行预测和识别。

关键词: 斜齿轮, 点蚀, 动力学, 动态响应

Abstract: Helical gears are the core components of automobile transmissions, and tooth pitting is one of the main failure forms that affect the transmission stability and reliability of automobile transmissions. Based on the impact function method, contact line percentage method and gear system dynamics theory, the dynamic model of helical gear system with different pitting types is established. The dynamic response of pitting helical gear system is analyzed. At the same time, through the gear fatigue pitting test, vibration acceleration signals of gears with different pitting degrees are obtained. The time and frequency domain characteristics of different pitting degrees on gear vibration acceleration are obtained through FFT analysis. Thus, the accuracy of the dynamic model is verified. The results show that the dynamic response of the helical gear system can be used to predict and identify the pitting degree and form of the helical gear.

Key words: helical gear, pitting, dynamics, dynamic response

中图分类号:

TH132

陈勇, 李金锴, 臧立彬, 刘意气, 毕旺洋, 杨小朋. 疲劳点蚀斜齿轮动力学仿真预测与故障识别试验研究[J]. 机械工程学报, 2021, 57(9): 61-70.

CHEN Yong, LI Jinkai, ZANG Libin, LIU Yiqi, BI Wangyang, YANG Xiaopeng. Dynamic Simulation and Experimental Identification for Fatigue Pitting Helical Gear Fault[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2021, 57(9): 61-70.

参考文献

[1] WU S，ZUO M J，PAREY A. Simulation of spur gear dynamics and estimation of fault growth[J]. Journal of Sound & Vibration，2008，317(3-5)：608-624.
[2] 陈勇，臧立彬，巨东英，等. 高强度汽车齿轮表面强化技术的研究现状和发展趋势[J]. 中国表面工程，2017，30(1)：1-15. CHEN Yong，ZANG Libin，JU Dongying，et al. Research status and development trend of high strength automotive gear surface strengthening technology[J]. China Surface Engineering，2017，30(1)：1-15.
[3] ZANG Libin，CHEN Yong，WU Yimin，et al. Tribological performance of Mn₃(PO₄)₂ coating and PC/MoS₂ coating in Rolling–Sliding and pure sliding contacts with gear oil[J]. Tribology International，2020，153：106642.
[4] MA R，CHEN Y. Research on the dynamic mechanism of the gear system with local crack and spalling failure[J]. Engineering Failure Analysis，2012，26：12-20.
[5] ABOUEL-SEOUD S，DYAB E，ELMORSY M. Influence of tooth pitting and cracking on gear meshing stiffness and dynamic response of wind turbine gearbox[J]. International Journal of Science and Advanced Technology，2012，2：151-165.
[6] RINCON A F D，VIADERO F，IGLESIAS M，et al. Effect of cracks and pitting defects on gear meshing[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part C Journal of Mechanical Engineering Science，2012， 226(11)：2805-2815.
[7] MA R，CHEN Y，CAO Q. Research on dynamics and fault mechanism of spur gear pair with spalling defect[J]. Journal of Sound & Vibration，2012，331(9)：2097-2109.
[8] LIANG X，ZUO M J，PANDEY M. Analytically evaluating the influence of crack on the mesh stiffness of a planetary gear set[J]. Mechanism & Machine Theory，2014，76：20-38.
[9] OMAR D，MOHAMMED，MATTI R. Dynamic response and time-frequency analysis for gear tooth crack detection[J]. Mechanical Systems and Signal Processing，2015，66：612-624.
[10] INALPOLAT M，HANDSCHUH M，KAHRAMAN A. Influence of indexing errors on dynamic response of spur gear pairs[J]. Mechanical Systems & Signal Processing，2015，60-61：391-405.
[11] MA H，LI Z，FENG M，et al. Time-varying mesh stiffness calculation of spur gears with spalling defect[J]. Engineering Failure Analysis，2016，66：166-176.
[12] SAXENA A，PAREY A，CHOUKSEY M. Time varying mesh stiffness calculation of spur gear pair considering sliding friction and spalling defects[J]. Engineering Failure Analysis，2016，70：200-211.
[13] JIANG H，SHAO Y，MECHEFSKE C K. Dynamic characteristics of helical gears under sliding friction with spalling defect[J]. Engineering Failure Analysis，2014，39：92-107.
[14] SHI X. J，LI K，WANG Z. M. Fault simulation and modeling of wind turbine gear based on ADAMS[C]//2016 IEEE International Conference on Information and Automation (ICIA). IEEE，2016.
[15] 高洪波，李允公，刘杰. 基于动态侧隙的齿轮系统齿面磨损故障动力学分析[J]. 振动与冲击，2014，33(18)：221-226. GAO Hongbo，LI Yungong，LIU Jie. Dynamic analysis of gear system wear failure based on dynamic backlash[J]. Vibration and Shock，2014，33(18)：221-226.
[16] 雷亚国，罗希，刘宗尧，等. 行星轮系动力学新模型及其故障响应特性研究[J]. 机械工程学报，2016，52(13)：111-122. LEI Yaguo，LUO Xi，LIU Zongyao，et al. A new dynamic model of planetary gear sets and research on fault response characteristics[J]. Journal of Mechanical Engineering，2016，52(13)：111-122.
[17] LIANG X H，ZUO M J ，LIU L B. A windowing and mapping strategy for gear tooth fault detection of a planetary gearbox[J]. Mechanical Systems & Signal Processing，2016，80：445-459.
[18] LIANG X H，LIU Z L，PAN J， et al. Spur gear tooth pitting propagation assessment using model-based analysis[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2017，30(6)：1369-1382.
[19] 王旭，伍星，肖正明，等. 含裂纹故障的齿轮系统动力学特性研究及其故障特征分析[J]. 振动与冲击，2017，36(9)：74-79，137. WANG Xu，WU Xing，XIAO Zhengming，et al. A new dynamic model of planetary gear sets and research on fault response characteristics[J]. Vibration and Shock，2017，36(9)：74-79，137.
[20] 吴家腾，杨宇，程军圣. 基于解析有限元的齿根裂纹时变啮合刚度计算方法[J]. 机械工程学报，2018，54(23)：56-62. WU Jiateng，YANG Yu，CHENG Junsheng. The time-varying mesh stiffness calculation for gear tooth crack based on analytical-finite element method[J]. Journal of Mechanical Engineering，2018，54(23)：56-62.
[21] 李增刚. ADAMS入门详解与实践[M]. 北京：国防工业出版社，2012.LI Zenggang. Introduction ADAMS in detail and practice[M]. Beijing：National Defence Industry Press，2012.
[22] MAATAR M，VELES P. An analytical expression for the time-varying contact length in perfect cylindrical gears： some possible applications in gear dynamics[J]. Journal of Mechanical Design，1996，118(4)：586-589.
[23] 雷玉英. 干摩擦与混合润滑下斜齿轮齿面粘着磨损计算[D]. 长沙：湖南大学，2018.LEI Yuying. Adhesive wear model for helical gears under dry friction and mixed lubrication[D]. Changsha：Hunan University，2018.
[24] 蒋建政，陈再刚，翟婉明，等. 基于不同啮合刚度计算模型的直齿圆柱齿轮传动系统动力学特性研究[J]. 中国科学：技术科学，2018，48(8)：863-871. JIANG Jianzheng，CHEN Zaigang，ZHAI Wanming，et al. Research on dynamic characteristics of spur gear transmission system based on different meshing stiffness calculation models[J]. Science in China：Technical Science，2018，48(8)：863-871.
[25] XIANG D，SHEN Y H，WEI Y Z. A contact force model considering meshing and collision states for dynamic analysis in helical gear system[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2019，32(1)：41.
[26] LUO Y，BADDOUR N，LIANG M. Dynamical modeling and experimental validation for tooth pitting and spalling in spur gears[J]. Mechanical Systems and Signal Processing，2018，119：155-181.

疲劳点蚀斜齿轮动力学仿真预测与故障识别试验研究

Dynamic Simulation and Experimental Identification for Fatigue Pitting Helical Gear Fault

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	罗忠, 王晋雯, 韩清凯, 王德友. 组合支承转子系统动力学的研究进展[J]. 机械工程学报, 2021, 57(7): 44-60.
[2]	王博, 丁勤卫, 李春, 岳敏楠. 普通海况下驳船式平台漂浮式风电场平台动态响应研究[J]. 机械工程学报, 2021, 57(6): 171-183.
[3]	杨云帆, 刘志强, 高贤波, 凌亮, 王开云, 翟婉明. 电力机车车轮非圆化磨耗特征及其对轮轨动态冲击作用影响分析[J]. 机械工程学报, 2021, 57(4): 130-139.
[4]	刘送永, 李志强, 谢奇志. 高压泡沫涨裂装置结构参数设计及特性分析[J]. 机械工程学报, 2021, 57(3): 197-206.
[5]	庄未, 苏晓, 赵逸舟, 张瑞欣. 车把前倾角对无人驾驶自行车90°圆周运动的影响[J]. 机械工程学报, 2021, 57(2): 256-264.
[6]	林京. 机器信息学：机械产品智能化的学科支撑[J]. 机械工程学报, 2021, 57(2): 11-20.
[7]	罗天祺, 陈再刚, 蒋建政, 王家鑫, 王开云. 货物非均匀装载对高速货运动车组动力学性能的影响[J]. 机械工程学报, 2021, 57(2): 139-146.
[8]	秦俊杰, 杨帅, 何楠, 师志峰, 李星, 赖小明, 莫桂冬. 机械式可重复使用压紧释放机构的力学特性分析研究[J]. 机械工程学报, 2021, 57(1): 40-48.
[9]	王晓鹏, 刘世军. 微点蚀齿轮法向接触刚度分形预估模型[J]. 机械工程学报, 2021, 57(1): 68-76.
[10]	李峰, 邓四二, 张文虎. 频繁摆动工况下球轴承打滑特性研究[J]. 机械工程学报, 2021, 57(1): 168-178.
[11]	段书用, 李昌洛, 韩旭, 刘桂荣. 机械臂动力学分析及关节非线性摩擦模型建立[J]. 机械工程学报, 2020, 56(9): 18-28.
[12]	李研彪, 王泽胜, 孙鹏, 徐涛涛, 秦宋阳. 一种四自由度冗余串并混联拟人机械臂的动载协调分配优化[J]. 机械工程学报, 2020, 56(9): 45-54.
[13]	刘国云, 曾京, 邬平波, 朱海燕, 张波. 车轮扁疤所引起的车辆系统振动特性分析[J]. 机械工程学报, 2020, 56(8): 182-189.
[14]	李志农, 刘杰, 卢文秀, 褚福磊. 转子系统盘轴松动故障动力学建模和仿真研究[J]. 机械工程学报, 2020, 56(7): 60-71.
[15]	刘荣强, 史创, 郭宏伟, 李冰岩, 田大可, 邓宗全. 空间可展开天线机构研究与展望[J]. 机械工程学报, 2020, 56(5): 1-12.