齿轮传动装置低噪声设计理论和方法

齿轮传动装置的振动噪声会严重影响装备的性能、寿命、安全性和舒适性，这类装置的低噪声设计一直是国内外研究热点。本书总结作者三十余年的相关研究成果，从激励、响应和传递三方面深入地介绍齿轮传动装置低噪声设计理论和方法。全书共12章，主要介绍齿轮传动装置噪声产生机理、类型和传递方式，动态激励的定义、内涵及主要计算模型和方法，平行轴、行星、功率分流和多输入多输出齿轮传动系统与齿轮箱体结构动力学响应计算模型和方法，低噪声齿面优化修形与齿轮箱体结构拓扑优化设计方法，安装在弹性支承结构上的齿轮传动装置振动传递分析模型和方法，齿轮参数与结构参数对齿轮传动装置振动噪声的影响规律，最后总结归纳齿轮传动装置低噪声设计准则和方法。本书可作为机械设计、机械传动、机械电子工程相关学科高年级本科生和研究生的教材，也可作为相关专业工程技术人员和科研人员的参考书。

前言
第1章绪论1
1.1引言1
1.2噪声的基本知识2
1.2.1噪声的定义及分类2
1.2.2空气噪声的度量4
1.2.3结构噪声的度量6
1.2.4噪声的评价7
1.3齿轮传动装置的振动噪声11
1.3.1齿轮系统的激励11
1.3.2齿轮传动装置振动噪声的传递13
1.3.3齿轮传动装置振动噪声及评价14
1.3.4控制齿轮传动装置噪声的常用方法15
1.4本书主要内容16
参考文献16
第2章齿轮传动系统的动态激励18
2.1动态激励的类型与动力学表达18
2.1.1动态激励的类型18
2.1.2轮齿啮合激励19
2.1.3齿轮系统动力学方程的通用表达20
2.2啮合刚度22
2.2.1啮合刚度定义22
2.2.2啮合刚度常用计算方法24
2.2.3ISO啮合刚度均值计算公式27
2.2.4石川公式28
2.2.5Cai拟合公式31
2.2.6接触线法32
2.2.7有限元-解析接触力学混合法35
2.2.8能量-切片法42
2.3齿轮误差46
2.3.1齿轮误差的分类46
2.3.2齿廓偏差46
2.3.3螺旋线偏差47
2.3.4齿距偏差48
2.3.5几何偏心误差49
2.4传递误差50
2.4.1传递误差的定义50
2.4.2静态传递误差51
2.4.3动态传递误差53
2.5啮合冲击54
2.5.1啮合冲击产生过程54
2.5.2实际啮合位置56
2.5.3啮入冲击力57
参考文献58
第3章齿轮系统动态特性分析方法61
3.1齿轮系统动力学模型类型61
3.1.1齿轮系统动力学模型一般形式61
3.1.2基于考虑因素的动力学模型分类61
3.1.3基于分析目的的动力学模型分类62
3.2齿轮系统动力学建模方法65
3.2.1集中质量法65
3.2.2传递矩阵法65
3.2.3有限元法65
3.2.4模态综合法66
3.2.5接触有限元法66
3.2.6多体动力学方法67
3.3齿轮系统动力学模型求解方法67
3.3.1解析法67
3.3.2数值法69
3.4平行轴齿轮系统动力学模型70
3.4.1单支齿轮传动系统动力学模型70
3.4.2系统动力学方程70
3.5行星齿轮传动系统动力学模型71
3.5.1齿圈单元73
3.5.2内啮合单元76
3.5.3外啮合单元79
3.5.4行星架单元81
3.5.5支承单元82
3.5.6系统整体动力学模型82
3.6功率分流齿轮传动系统动力学模型83
3.6.1功率分流齿轮传动系统与齿轮副振动位移模型83
3.6.2功率双分支齿轮传动系统动力学模型84
3.7多输入多输出齿轮传动系统动力学模型86
3.7.1双输入单输出齿轮传动系统动力学模型86
3.7.2单输入双输出齿轮传动系统动力学模型89
3.7.3三输入双输出齿轮传动系统动力学模型91
参考文献93
第4章齿面接触与系统振动的形性耦合分析96
4.1形性耦合动力学模型的建立96
4.2形性耦合动力学模型的求解99
4.2.1齿面动态承载接触方程的建立及求解99
4.2.2非线性方程组的求解算法100
4.3齿轮系统形性耦合动力学特性104
4.3.1螺旋角对系统振动的影响105
4.3.2啮合阻尼对系统振动的影响108
4.3.3精度等级对系统振动的影响110
4.3.4负载扭矩对系统振动的影响111
4.4形性耦合模型与常规动力学模型计算结果对比113
参考文献114
第5章齿轮参数对系统动态特性的影响115
5.1齿轮系统动态激励与响应的影响因素115
5.2齿轮设计参数对啮合刚度的影响117
5.2.1齿数与模数的影响118
5.2.2压力角的影响119
5.2.3齿顶高系数的影响120
5.2.4螺旋角的影响120
5.2.5齿宽的影响121
5.2.6轮缘腹板尺寸的影响123
5.3啮合刚度对齿轮系统动态特性的影响124
5.3.1啮合刚度均值的影响124
5.3.2啮合刚度波动量的影响125
5.3.3啮合刚度均值与波动量的共同影响126
5.4单项齿面偏差对系统动态特性的影响127
5.4.1齿廓偏差的影响128
5.4.2螺旋线偏差的影响130
5.4.3齿距偏差的影响132
5.4.4各类偏差的影响程度对比134
5.5齿轮精度与负载工况对系统动态特性的影响134
5.5.1精度等级与齿面组合偏差量135
5.5.2负载扭矩对动态激励的影响136
5.5.3负载扭矩对系统响应的影响137
5.5.4精度等级对系统特性的影响138
5.6齿距累积偏差对系统动态特性的影响140
5.6.1单个齿距偏差的影响141
5.6.2正弦形式齿距累积偏差的影响144
5.6.3随机形式齿距累积偏差的影响147
参考文献154
第6章轴系参数对齿轮系统动态特性的影响158
6.1考虑轴系变形的齿轮系统多点啮合准静态接触模型158
6.1.1切片式啮合作用面和分布式啮合刚度158
6.1.2广义静态传递误差和啮合错位160
6.2支承布局形式对齿轮系统准静态/动态特性的影响163
6.2.1不同螺旋角齿轮副准静态特性分析165
6.2.2人字齿轮副准静态特性分析169
6.2.3齿轮系统动态特性分析171
6.3功率流向对齿轮传动系统准静态/动态特性的影响172
6.3.1不同螺旋角齿轮副准静态特性分析173
6.3.2人字齿轮副准静态特性分析174
6.3.3齿轮系统动态特性分析175
6.4轴系结构参数对齿轮系统准静态/动态特性的影响175
6.5支承参数对齿轮系统动态特性的影响178
6.5.1滑动轴承结构及工况参数的合理取值180
6.5.2结构参数对系统动态特性的影响182
6.6联轴器对齿轮系统动态特性的影响186
6.6.1耦合联轴器对齿轮系统动态响应特性的影响187
6.6.2联轴器刚度对系统动态特性的影响193
6.6.3联轴器结构参数对系统动态特性的影响195
6.6.4联轴器耦合效应串联齿轮箱动态特性的影响198
参考文献214
第7章低噪声齿面修形设计方法216
7.1齿面修形基本原理和方法216
7.2不同修形方式的参数敏感性218
7.2.1不同修形方式下齿面准静态接触特性219
7.2.2不同修形方式对负载扭矩的敏感性223
7.2.3不同修形方式对啮合错位的敏感性225
7.3齿面组合修形稳健设计226
7.3.1稳健优化设计和Pareto解集226
7.3.2齿面修形稳健优化数学模型的建立及求解227
7.3.3齿面修形稳健解分析229
7.4考虑轴系变形的齿面补偿修形230
7.4.1轴系变形引起的啮合错位分析230
7.4.2齿面补偿修形设计与分析230
参考文献233
第8章齿轮箱体结构噪声和空气噪声计算方法234
8.1齿轮箱体结构噪声计算的有限元法234
8.1.1齿轮系统-箱体全有限元模型234
8.1.2齿轮系统动力学和箱体有限元混合模型235
8.1.3全有限元模型和动力学-有限元混合模型的对比236
8.1.4结构噪声计算中支承系统阻抗特性的计入方法237
8.1.5结构噪声计算中阻尼材料特性的计入方法243
8.2齿轮箱体空气噪声计算的有限元/边界元法246
8.2.1有限元/边界元法计算空气噪声的原理和流程246
8.2.2齿轮箱体空气噪声计算实例249
8.3齿轮箱体空气噪声计算的统计能量分析法250
8.3.1统计能量分析法的基本原理250
8.3.2统计能量分析中的基本参数253
8.3.3等效统计能量分析法255
8.3.4齿轮箱体空气噪声等效统计能量分析步骤258
8.3.5齿轮箱体空气噪声等效统计能量分析实例259
8.4齿轮箱体空气噪声的预估公式262
8.4.1空气噪声预估的经验公式262
8.4.2计入误差的齿轮箱体噪声预估公式拟合流程263
8.4.3模型匹配性验证263
8.4.4齿轮箱体空气噪声预估公式误差项拟合265
8.5齿轮箱体空气噪声计算方法的对比270
参考文献271
第9章齿轮箱体结构的低噪声拓扑优化设计方法273
9.1结构优化的数学表达和分类273
9.1.1结构优化的数学表达273
9.1.2结构优化的分类274
9.2常用的低噪声拓扑优化模型275
9.2.1结构特征频率设计的拓扑优化模型275
9.2.2结构振动特性设计的拓扑优化模型276
9.2.3声学特性设计的拓扑优化模型277
9.3基于声学贡献量的低噪声拓扑优化模型277
9.3.1齿轮箱体结构对声学传递向量的影响277
9.3.2声学贡献量*大区域的确定282
9.3.3拓扑优化方程及灵敏度分析284
9.3.4拓扑优化模型的验证286
9.4齿轮箱体结构的多场点低噪声设计291
9.4.1齿轮箱体结构的多场点低噪声设计流程291
9.4.2齿轮箱体结构的多场点低噪声设计实例291
参考文献301
第10章齿轮-箱体-基础耦合振动特性303
10.1计入支承刚度特性的齿轮啮合刚度304
10.1.1计入支承刚度的齿轮啮合刚度计算有限元法305
10.1.2计入支承刚度的齿轮啮合刚度计算有限元-接触力学混合法306
10.2齿轮-箱体-基础耦合系统动力学建模方法308
10.2.1阻抗综合法308
10.2.2有限元法314
10.2.3静态子结构法316
10.3支承系统阻抗对耦合系统动态特性的影响318
10.3.1箱体阻抗对耦合系统动态特性的影响318
10.3.2隔振器阻抗对耦合系统动态特性的影响323
参考文献329
第11章齿轮传动装置振动传递特性332
11.1一般隔振系统振动传递分析332
……