多间隙耦合的航天器齿轮机构动力学分析与实验研究

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1、博士学位论文多间隙耦合的航天器齿轮机构动力学分析与实验研究RESEARCHONDYNAMICSANDEXPERIMENTOFGEARMECHANISMOFSPACECRAFTWITHMULTIPLECLEARANCESCOUPLED张慧博哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TH113.2,V411.8学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学博士学位论文多间隙耦合的航天器齿轮机构动力学分析与实验研究博士研究生：张慧博导师：赵阳教授申请学位：工学博士学科：航空宇航科学与技术所在单位：航天学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classifi

2、edIndex:TH113.2,V411.8U.D.C:621DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONDYNAMICSANDEXPERIMENTOFGEARMECHANISMOFSPACECRAFTWITHMULTIPLECLEARANCESCOUPLEDCandidate：ZhangHuiboSupervisor：Prof.ZhaoYangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：AreospaceScienceandTechnologyA

3、ffiliation：Dept.ofAstronauticEngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要由于航空航天工程和高精度机械工程的不断发展，对于机构运动精度、运行稳定性、可靠性和使用寿命的要求越来越高。机构中的间隙对于系统非线性动力学特性的影响也越来越受到人们的重视，尤其对于航天器而言，在空间微重力环境中，间隙对系统运动精度和运行稳定性的影响尤为明显。而齿轮机构作为航天器中最为常用的传动机构，存在轴承径向间隙和齿侧间隙，这些间隙

4、相互耦合相互影响，导致机构动力学特性发生变化，甚至引起航天器性能和精度下降。本文针对航天器中齿轮机构存在的多间隙耦合问题，开展相应的动力学建模、分析以及试验研究，为航天机构的优化设计、可靠性分析奠定基础。在多间隙齿轮系统的动力学建模方面，以单对齿轮为切入点，并逐步扩展到行星齿轮传动系统以及卫星天线双轴驱动机构上。针对单对齿轮中存在的多间隙问题，提出了一种新的考虑多间隙耦合的齿轮转子系统动力学建模方法。建立了多间隙耦合模型，利用二状态模型描述轴承径向间隙，利用径向间隙函数描述齿侧间隙的动态变化。在此基础上，建立能够考虑轴承径向间隙、齿侧间隙以及时变啮合刚度等因素的多间隙耦合齿轮转

5、子系统动力学模型。并将多间隙耦合模型应用到行星齿轮传动系统和星间链路卫星天线双轴驱动机构中，建立了相应的动力学模型，为航天器机构中间隙动力学的理论研究和工程应用奠定了基础。在试验研究方面，建立了考虑多间隙耦合的齿轮转子系统试验台，在试验中同时考虑轴承径向间隙和齿侧间隙，并能够实现径向间隙与齿侧间隙的大小可调。通过对比分析不同转速和间隙大小下振动特性的理论值与试验数据发现，相比于传统的多间隙模型，本文提出的多间隙耦合模型在频率和振幅的计算上与试验数据更为吻合，且能够体现出转速和间隙大小变化可能引发的系统谐振现象。在动力学特性分析方面，本文对比分析了多间隙耦合模型与无耦合模型之间的

6、差别，并进一步分析在多间隙耦合效应的影响下，转速、间隙大小等因素对于多间隙齿轮转子系统动力学特性的影响规律。结果表明，在多间隙耦合效应的影响下，转速和间隙大小对于齿轮转子系统的动力学特性有非常明显的影响。随着转速的提高，径向跳动逐渐减弱，而齿面冲击逐渐增大。径向间隙增大不但使齿轮系统的径向误差增大，还会增大转角误差，降低系统稳定性。而随着初始齿侧间隙的增大，齿轮转角误差增大，齿轮啮合力的幅值也随之增大，齿轮的扭转运动更为剧烈。通过频谱分析，找到了可能引发系统谐振的转速和-I-哈尔滨工业大学博士学位论文间隙尺寸，为提高齿轮系统的运行稳定性和可靠性提供指导。对多间隙耦合的行星齿轮传

7、动系统的动力学特性研究结果表明，多间隙耦合效应不但使得行星齿轮传动系统出现运动偏差，导致动态啮合力增大，加剧行星齿轮与内齿圈齿面之间的磨损，还会引发系统结构内部各构件之间的耦合振动。同时在多间隙耦合效应的影响下，转速、间隙大小和负载都会对系统动力学特性产生明显影响。转速较高的情况下，行星齿轮的轴承径向力和轮齿啮合力都较大，且波动剧烈；行星架与行星齿轮径向间隙大小对于系统动力学特性的影响最为明显，径向间隙较大时，行星架与行星齿轮的轴承径向接触力明显增大；较大的惯性负载有利于提高系统的稳定性；通