(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210680910.3 (22)申请日 2022.06.16 (71)申请人 苏州大学 地址 215000 江苏省苏州市相城区济学路8 号 (72)发明人 石娟娟　于亦浩　黄伟国　沈长青　 江星星　朱忠奎　 (74)专利代理 机构 苏州圆融专利代理事务所 (普通合伙) 32417 专利代理师 郭磊 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 17/13(2006.01) G06F 17/14(2006.01)G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种受内部多源故障激励的齿轮箱耦合动 力学建模方法 (57)摘要 本发明公开了一种受内部多源故障激励的 齿轮箱耦合动力学建模方法， 包括以下步骤： S1： 齿轮啮合时变刚度、 阻尼及动态摩擦力的计算： 根据齿轮形貌以及局部剥落故障参数， 计算得到 齿轮啮合刚度随主动轮转角的函数关系； 结合混 合弹流润滑理论， 通过输入动态的齿轮啮合力、 表面粗糙度、 卷吸速度参数在每个时刻计算得到 当前齿轮啮合副的动态摩擦力以及啮合阻尼； S2： 计算齿轮箱中每个轴承的内外圈作用力； S3： 构建整个齿轮箱动力学模型的完整方程并求解。 本发明， 可以准确得到受啮合力、 啮合摩擦、 轴承 内外圈动态作用力、 弹流润滑、 故障激励等多重 因素影响下的齿轮箱的振动响应 。 权利要求书6页 说明书16页 附图6页 CN 115203898 A 2022.10.18 CN 115203898 A 1.一种受内部多源故障激励的齿轮箱耦合动力学建模方法， 其特征在于： 包括以下步 骤： S1： 齿轮啮合时变 刚度、 阻尼及动态摩擦力的计算： 根据齿轮形貌以及局部剥落故障参 数， 计算得到齿轮啮合刚度随主动轮转角的函数关系； 结合混合 弹流润滑理论， 通过输入动 态的齿轮啮合力、 表面粗糙度、 卷吸速度参数在每个时刻计算得到当前齿轮啮合副的动态 摩擦力以及啮合阻尼； S2： 计算齿轮箱中每个轴承的内外圈作用力： 输入当前时刻的内外圈相对位移， 通过准 静态的滚动体公转与自转关系可以得到轴承内所有接触副的法向变形与切向速度； 根据轴 承结构参数与表面参数， 结合混合弹流润滑理论与赫兹接触理论可以计算得到轴承内每个 滚动体所受考虑阻尼的法向力； 将这些法向力合成即可 得到动态的轴承内外圈作用力； S3： 构建整个齿轮箱动力学模型的完整方程并求解： 在前述步骤的基础上， 引入齿轮啮 合传动误差、 驱动电机、 制动器与齿轮箱外壳； 通过牛顿第二定律建立完整的齿轮箱动力学 微分方程组； 使用数值 求解方法对微分方程组进行求 解， 得到系统的动态响应； S4： 仿真信号故障特征分析： 从齿轮箱系统的动力学数值解中选取最有研究意义的外 壳加速度作为齿轮箱振动仿真信号， 通过时域分析、 功率谱与包络谱分析等基础手段对仿 真信号进行分析， 揭示齿轮箱在耦合故障条件下的振动行为。 2.根据权利要求1所述的一种受内部多源故障激励的齿轮箱耦合动力学建模方法， 其 特征在于： 所述S1的具体步骤 包括： S11： 通过几何参数的变化引入齿轮局部故障。 本发明通过表面剥落的形式在齿轮 中引 入局部故障； 表面剥落形貌描述为椭圆形， 具有一定的深度hs， 宽度wmax与长度lmax； 这种表 面剥落会影响齿轮啮合时的有效接触长度Ls与刚度计算时的截面属性； 其中xs_center表示剥落椭圆的中心坐标位置， xs_start表示剥落椭圆的起始坐标位置， xs_end表示剥落椭圆的结束坐标位置； θs表示剥落椭圆的倾斜角； 这部分受故 障影响的数值 会影响啮合刚度 的计算， 并通过啮合刚度， 影响整个动力学系统， 达到引入齿轮故障的目 的； S12： 计算啮合齿轮的时变刚度。 将轮齿看作变截面悬臂梁， 通过能量法推导得到某一 轮齿的赫兹接触刚度kh,、 弯曲刚度kb、 剪切刚度ks、 轴向抗压刚度ka与角基础刚度kf； 得到两权　利　要　求　书 1/6 页 2 CN 115203898 A 2轮齿在啮合状态下的综合串联刚度： 由于齿轮啮合过程中不止一对轮齿接触， 存在两对轮齿 同时接触的情况， 需要将两对 轮齿的串联刚度并联， 最终得到关于主动轮转角的啮合刚度函数： S13： 计算齿轮啮合的弹流润滑阻尼与摩擦系数； 首先根据润滑条件与物理参数， 计算 啮合副当前的润滑油膜厚度hc： 其中， KHc是表面微峰形貌参数， 设置为1； W是无量纲负载参数； U是无量纲速度参数； G是 无量纲材 料参数； R是等效接触曲率半径； 是无量纲表面粗糙度， V是 无量纲硬度参数； 根据油膜厚度、 润滑剂粘度 以及接触面积可以近似计算得到齿轮接触副的接触阻尼 cfilm： 据齿轮啮合中的混合弹流润滑条件下的摩擦理论， 动态摩擦系数 可由下式计算： 其中的中间参数 可由下式得到： 其中upi和ugi分别是每一对齿轮接触副中主动轮和从动轮的表面速度； S是均方根表面 粗糙度； Ph是赫兹接触压力， b1至b9是定值系数： b1‑9＝‑8.92,1.03,1.04,‑0.35,2.81,‑0.10,0.75, ‑0.39,0.62 由于齿轮啮合过程可能存在两对齿啮合， 因此需要在每一对啮合的轮齿上分别计算摩 擦力后再合成； 首 先根据负载分配系数Sri计算每一对齿上的负载： 然后即可 得到摩擦力与摩擦力矩的计算公式：权　利　要　求　书 2/6 页 3 CN 115203898 A 3