(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 202210567528.1 (22)申请日 2022.05.24 (71)申请人 湖南大学 地址 410000 湖南省长 沙市岳麓区麓山 南 路1号 申请人 湖南德晟智能科技有限公司 (72)发明人 周长江　乔自珍　刘辉华　 (74)专利代理 机构 湖南岑信知识产权代理事务 所(普通合伙) 43275 专利代理师 刘洋 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06K 9/00(2022.01) G01M 13/021(2019.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 不同类型裂纹下的多级齿轮传动系统动态 响应分析方法 (57)摘要 本发明公开了一种不同类型裂纹下的多级 齿轮传动系统动态响应分析方法， 采用有限元方 法建立了考虑裂纹的多级平行轴齿轮传动系统 动力学模型， 利用Newmark时域积分方法求解系 统的动力学响应， 讨论了多级平行轴齿轮传动系 统(齿轮， 轴承)在单级裂纹和多级裂纹作用下的 振动加速度， 对 各级齿轮振动加速度的时域和频 域进行分析， 从而得到了单级裂纹和多级裂纹下 各级系统的振动结果。 为进一步分析多级齿轮传 动系统的各级齿轮在单级裂纹和多级裂纹下的 振动加速度差异， 对统计指标进行了分析， 从而 得到了在考虑裂纹的多级齿轮传动系统中， 裂纹 的跨级影 响规律(如第一级裂纹对第二级裂纹的 影响， 第二级裂纹对一级 齿轮的影响规 律)。 权利要求书2页 说明书10页 附图11页 CN 114997000 A 2022.09.02 CN 114997000 A 1.一种不同类型裂纹下的多级齿轮传动系统动态响应分析方法， 其特征在于， 该方法 包括如下步骤： 步骤一、 输入多级齿轮传动系统的基本几何参数和运行参数， 进行多级齿轮传动系统 几何建模， 得到多 级齿轮传动系统的几何模型； 步骤二、 采用有限元法对得到的几何模型进行有限元分析， 通过公式(1)至(5)计算不 同类型裂纹下的齿轮时变啮合刚度KFE； δn＝ δLTE‑δNLTE (3) δLTE＝|rbpθp‑rbgθg| (4) δNLTE＝|rbpθpNLTE‑rbgθgNLTE| (5) 其中， δn为传递误差， Tp为从动轮齿数， rbp为主动轮基圆半径， rbg为从动轮基圆半径， θp 为主动轮承载时转动角度， θg为从动轮承载时转动角度， θpNLTE为主动轮空载时传动角度， θgNLTE为从动轮空载时传动角度， δLTE为齿轮副承载传递 误差， δNLTE为齿轮副空载传递 误差； 步骤三、 将计算得到的齿轮时变啮合刚度KFE代入多级平行轴齿轮传动系统动力学模型 中， 通过动力学模型的整体质量阵、 阻尼阵、 刚度阵和外部载荷之间的关系得到系统的动力 学方程； 步骤四、 利用Newmark时域积分方法去求解系统的动力学方程， 得到多级平行轴齿轮传 动系统在不同裂纹下的动态响应， 该动态响应包括时域信号和频域信号； 步骤五、 通过通过傅里叶变换对不同类型裂纹下的频域信号进行分析， 分析在不同类 型裂纹下的多 级齿轮传动系统中每一级平行轴齿轮和轴承频域信号的影响； 步骤六、 基于时域信号与频域信号， 通过统计学指标变化分析在不同类型裂纹下的多 级齿轮传动系统的振动加速度大小， 具体包括如下步骤： 预测齿轮振动的能量水平， 采用均方根法反映齿轮在不同类型裂纹下振动加速度时域 信号的大小， 均方根RMS由公式(7)表达： 其中， x(n)是时域信号， n是采样点的个数， 是均值， 且该均值 由公式(8)表达： 计算振动加速度最大振动幅度， 该最大振动幅度由峰值xp表示， 该峰值xp由公式(9)表 示： xp＝maxx(n)‑minx(n) (9) 利用峰值因子CP分析不同类型裂纹下的多级齿轮传动系统的振动信号， 该峰值因子CP权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114997000 A 2由公式(10)表达： 采用均方根和峰值因子的相对变化量对指标特征变化进行描述， 其中， 均方根和峰值 因子的相对变化 量分别由公式(1 1)和(12)表达： 其中， CP为峰值指标， xp为信号时域序列， xrms为平均时域信号， RMScrack和RMShealthy分别表 示裂纹齿轮和健康齿轮的均方根， Peak  factorcrack和Peak factorhealthy分别表示裂纹齿轮 和健康齿轮的峰值因子， crack表示裂纹齿轮， healthy表示 健康齿轮。 2.根据权利要求1所述的不同类型裂纹下的多级齿轮传动系统动态响应分析方法， 其 特征在于： 在 步骤一中， 所述基本几何参数包括齿轮齿数Zi、 齿轮模数m、 齿宽B、 齿轮分度圆 压力角 α、 齿轮材料泊松比μi、 齿轮材料弹性模量Ei、 密度ρ、 传动轴长度L以及直径d， 运行参 数包括齿轮的转速n和系统输出 扭矩T。 3.根据权利要求2所述的不同类型裂纹下的多级齿轮传动系统动态响应分析方法， 其 特征在于： 在步骤二中， 裂纹类型包括两级健康齿轮、 第一级故障齿轮与第二级健康齿轮、 第一级健康齿轮与第二级故障齿轮以及第一级故障齿轮与第二级故障齿轮。 4.根据权利要求1所述的不同类型裂纹下的多级齿轮传动系统动态响应分析方法， 其 特征在于： 在步骤二中， 齿轮时变啮合刚度包括两级健康齿轮时变啮合刚度、 第一级故障齿 轮与第二级健康齿轮时变啮合刚度、 第一级健康齿轮与第二级故障齿轮时变啮合刚度以及 第一级故障齿轮与第二级故障齿轮啮合刚度。 5.根据权利要求1所述的不同类型裂纹下的多级齿轮传动系统动态响应分析方法， 其 特征在于： 在步骤三中， 动力学 方程由公式(6)表示： 其中， X为广义坐标矢量； M,C,K分别表示耦合系统的质量阵， 阻尼阵， 刚度阵， FT表示系 统整体外 部载荷。 6.根据权利要求1所述的不同类型裂纹下的多级齿轮传动系统动态响应分析方法， 其 特征在于： 在步骤四中， 时域信号包括齿轮时域信号和轴承时域信号频域信号包括齿轮频 域信号和轴承频域信号。 7.根据权利要求1所述的不同类型裂纹下的多级齿轮传动系统动态响应分析方法， 其 特征在于： 在步骤六中， 振动加速度大小 是反映动态响应强弱的直观物理量， 振动信号的强 弱即动态响应的强弱。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114997000 A 3