直升機(jī)分扭-并車齒輪傳動系統(tǒng)非線性全局特性研究

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1、學(xué)校代碼10699分類號TH132密級學(xué)號2012100453題目直升機(jī)分扭-并車齒輪傳動系統(tǒng)非線性全局特性研究作者林何學(xué)科、專業(yè)機(jī)械設(shè)計及理論指導(dǎo)教師王三民申請學(xué)位日期2017年3月西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文（學(xué)位研究生）題目：直升機(jī)分扭-并車齒輪傳動系統(tǒng)非線性全局特性研究作者：林何學(xué)科專業(yè)：機(jī)械設(shè)計及理論指導(dǎo)教師：王三民2017年3月TheGlobalInvestigationonNonlinearDynamicCharacteristicsofHelicopterSplitTorque-CombiningGearTransmissionByLinHeUndertheSup

2、ervisionofProfessorWangSan-minADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofMachineDesignandTheoryXi’anP.R.ChinaMarch2017摘要摘要直升機(jī)傳動系統(tǒng)中的主減速器是將發(fā)動機(jī)動力傳遞到螺旋槳的關(guān)鍵部件，其動態(tài)性能對直升機(jī)的飛行性能和安全性能具有重要影響。在當(dāng)前先進(jìn)直升機(jī)主減速器傳動系統(tǒng)的構(gòu)型中，分扭-并車齒輪傳動系統(tǒng)正越來越受

3、到重視，這主要是由于分扭-并車齒輪傳動結(jié)構(gòu)所具有的體積小、重量輕、傳動比大和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)極大地滿足了現(xiàn)代直升機(jī)對主減系統(tǒng)的設(shè)計要求。分扭-并車齒輪傳動系統(tǒng)非線性振動特性研究，對其減振設(shè)計、共振抑制以及振動控制等都是十分重要的。本文借助Lyapunov指數(shù)、Poincaré截面映射和關(guān)聯(lián)維數(shù)等手段全面分析了分扭-并車齒輪傳動系統(tǒng)非線性振動中的分岔和混沌等現(xiàn)象，構(gòu)建了區(qū)域胞分解算法，對其非線性振動問題進(jìn)行了全局分析，從微觀和宏觀的角度對引起分扭-并車齒輪傳動系統(tǒng)振動的參數(shù)解域界結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的狀態(tài)域做了深刻分析和全面監(jiān)控，采用多步法混沌控制技術(shù)對齒輪振動中的混沌吸引子進(jìn)行了目標(biāo)周期

4、軌道穩(wěn)定化控制，并對控制效果進(jìn)行了定量評價。論文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：（1）建立了并車-分扭齒輪傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)非線性動力學(xué)模型，推導(dǎo)了兩種齒輪時變嚙合剛度的函數(shù)表達(dá)式，在消除系統(tǒng)剛體位移的基礎(chǔ)上提出了借助高斯消元技術(shù)解決動力學(xué)方程組中剛度矩陣奇異性問題的方法。對比了剛體位移消除前后兩種振動模型下的系統(tǒng)固有特性，并分別對不同非線性因素影響下的系統(tǒng)分扭傳動級和并車傳動級的動載特性進(jìn)行了數(shù)值分析。（2）分析了系統(tǒng)在嚙合頻率、齒側(cè)間隙、綜合傳動誤差和阻尼比等因素變化下的非線性全局分岔行為，結(jié)合相軌跡、Poincaré截面、Lyapunov指數(shù)譜和頻譜分析等技術(shù)手段對分岔道路和混沌形

5、態(tài)進(jìn)行了追蹤，以定量的方式對吸引子進(jìn)行了刻畫，發(fā)現(xiàn)了位移突變跳躍和邊界激變等非線性現(xiàn)象。（3）建立了并車弧齒錐齒輪傳動系統(tǒng)的彎-扭-軸耦合下的非線性動力學(xué)模型，針對齒輪嚙合傳動中多種激勵共存的特性，在胞映射法的基礎(chǔ)上發(fā)展了齒輪參數(shù)空間解域界分解算法，構(gòu)建了多組離散胞的動力學(xué)參數(shù)解域界平面，重點(diǎn)對綜合傳動誤差和嚙合阻尼比變化下的系統(tǒng)全局動態(tài)特性進(jìn)行了分析，探索了解域邊界處的吸引子狀態(tài)轉(zhuǎn)換行為，并結(jié)合一維參數(shù)域上的分岔圖和最大Lyapunov指數(shù)以不同方法雙重驗(yàn)證了參數(shù)解域界內(nèi)動態(tài)行為預(yù)測的準(zhǔn)確性。（4）引入關(guān)聯(lián)維數(shù)對吸引子的復(fù)雜度進(jìn)行了定量刻畫，并分析了阻尼比變化下奇怪吸引子在

6、相空間中的成長過程，通過Lyapunov指數(shù)逐步計算了吸引子軌跡在時間序列中的變化。運(yùn)用胞映射法對狀態(tài)空間實(shí)施了全局求解，得到了全局特性下的周期吸引子吸引域、混沌吸引子吸引域以及它們的域邊界胞，著重探討了阻尼比變化時系統(tǒng)全局吸引域的演化規(guī)律，吸引子的碰撞和激變行為以及吸引域間的擴(kuò)張與收斂關(guān)系。I西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文（5）依據(jù)多步混沌控制法對高維非雙曲性的齒輪系統(tǒng)實(shí)施了混沌軌道的穩(wěn)定化控制，以Newton-Raphson迭代法求解了不穩(wěn)定周期軌道上的不動點(diǎn)，對局部Jacobi矩陣的特征子空間進(jìn)行了分析，從而將非雙曲的不動點(diǎn)穩(wěn)定在了局部穩(wěn)定流形上，解決了系統(tǒng)Jacobi矩陣出

7、現(xiàn)臨界復(fù)特征值導(dǎo)致不穩(wěn)定維數(shù)變異的問題。成功探索了相空間中混沌吸引子的持續(xù)多周期控制方法；分析了混沌吸引子在周期加倍穩(wěn)定化過程中的控制軌道偏差和控制參數(shù)攝動規(guī)律；詳細(xì)研究了攝動域?qū)Σ煌芷诳刂频挠绊懽饔?。?）搭建了分扭-并車齒輪傳動系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺，對分扭-并車圓柱齒輪傳動系統(tǒng)的振動特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計算結(jié)果進(jìn)行了對比分析，驗(yàn)證了文中所建模型和分析方法的正確性。本研究獲得了國家高新技術(shù)研究發(fā)展計劃項(xiàng)目（863計劃，No.2009AA04Z404）的資助。關(guān)鍵詞：分扭-并車齒輪傳動系統(tǒng)，全局分