中国机械工程 ›› 2026, Vol. 37 ›› Issue (10): 2610-2618.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2026.10.024
许可晗1(
), 柳恺骋2,3, 朱浩元1, 李梅4, 左彦飞4, 闫成1(
)
收稿日期:2025-09-01
出版日期:2026-10-25
发布日期:2026-11-10
通讯作者:
闫成
作者简介:许可晗,女,2002年生,硕士研究生。研究方向为航空发动机多学科设计优化。E-mail:xukehan@stu.xmu.edu.cn基金资助:
XU Kehan1(
), LIU Kaicheng2,3, ZHU Haoyuan1, LI Mei4, ZUO Yanfei4, YAN Cheng1(
)
Received:2025-09-01
Online:2026-10-25
Published:2026-11-10
Contact:
YAN Cheng
摘要:
针对某航空发动机锥齿轮运行时频发的节径共振失效问题,提取模态分析后齿根环线节点的柱坐标位移,将含k(k≥2)节径振型图像在环向具有的明显周期特征量化为齿根环线节点在柱坐标各方向位移波形图中相等的k个周期数,并将纯节径振型与耦合节径振型间的差异转化为模态阶次的先后差异,实现节径振型与耦合节径振型的区分,完成齿轮危险节径振型的判别;通过快速傅里叶变换,将齿根环线位移图中的周期个数转换为频域图中主要峰值对应的频率数值,实现危险节径振型齿根环线位移特征的自动提取。最后,以齿轮质量最小为优化目标,以应力及频率为约束参数,开展多平台联合的齿轮避振优化。在满足避振要求及强度要求的前提下,齿轮质量减小了25.31%,证实了提出的齿轮避振优化方法的合理性及工程适用性。
中图分类号:
许可晗, 柳恺骋, 朱浩元, 李梅, 左彦飞, 闫成. 基于危险振型齿根环线位移特征的齿轮避振优化方法[J]. 中国机械工程, 2026, 37(10): 2610-2618.
XU Kehan, LIU Kaicheng, ZHU Haoyuan, LI Mei, ZUO Yanfei, YAN Cheng. Resonance-avoidance Optimization Method of Gears Based on Tooth-root Circumferential Displacement Features of Critical Modes[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(10): 2610-2618.
| 节径共振点 | 节径数 | 归一化Fl/% | 归一化Fu/% |
|---|---|---|---|
| 1 | 2节径 | 32.10 | 31.79 |
| 2 | 2节径 | 33.56 | 33.86 |
| 3 | 3节径 | 48.62 | 48.37 |
| 4 | 3节径 | 49.78 | 50.02 |
| 5 | 4节径 | 78.33 | 78.17 |
| 6 | 4节径 | 79.05 | 79.21 |
| 7 | 5节径 | 110.92 | 110.85 |
| 8 | 5节径 | 111.26 | 111.34 |
表1 速域上下限对应的归一化节径固有频率
Tab.1 Normalized nodal-diameter natural frequency corresponding to the upper and lower limits of the velocity domain
| 节径共振点 | 节径数 | 归一化Fl/% | 归一化Fu/% |
|---|---|---|---|
| 1 | 2节径 | 32.10 | 31.79 |
| 2 | 2节径 | 33.56 | 33.86 |
| 3 | 3节径 | 48.62 | 48.37 |
| 4 | 3节径 | 49.78 | 50.02 |
| 5 | 4节径 | 78.33 | 78.17 |
| 6 | 4节径 | 79.05 | 79.21 |
| 7 | 5节径 | 110.92 | 110.85 |
| 8 | 5节径 | 111.26 | 111.34 |
| 模态阶次 | 原振型图 | 原振型类型 | 改后振型图 | 改后振型类型 |
|---|---|---|---|---|
| 8 | ![]() | 4节径 | ![]() | 摆动 |
| 9 | ![]() | 4节径 | ![]() | 摆动 |
| 13 | ![]() | 扭转 | ![]() | 4节径 |
| 14 | ![]() | 耦合 | ![]() | 4节径 |
表2 振型跳变示例之振型类型对比
Tab.2 Comparison of modal types in modal jumping examples
| 模态阶次 | 原振型图 | 原振型类型 | 改后振型图 | 改后振型类型 |
|---|---|---|---|---|
| 8 | ![]() | 4节径 | ![]() | 摆动 |
| 9 | ![]() | 4节径 | ![]() | 摆动 |
| 13 | ![]() | 扭转 | ![]() | 4节径 |
| 14 | ![]() | 耦合 | ![]() | 4节径 |
图8 耦合2节径振型齿根环线柱坐标位移各周期特征
Fig.8 Tooth-root circumferential column coordinate displacement periodic features of the 2th coupled nodal-diameter vibration mode
图11 2节径振型齿根环线柱坐标位移频域图
Fig.11 Tooth-root circumferential column coordinate displacement frequency domain plots of the 2th nodal-diameter vibration mode
| 设计变量 | 下限 | 上限 | 初始值 |
|---|---|---|---|
| r1 | 1.4000 | 3.5000 | 3.0910 |
| r2 | 4.8000 | 9.0000 | 4.8000 |
| r3 | 1.5000 | 5.0000 | 4.3479 |
| r4 | 0.9000 | 3.5000 | 3.5000 |
| r5 | 1.0000 | 5.4609 | 5.4609 |
| r6 | 0.2000 | 3.0000 | 2.7452 |
| h1 | 8.6000 | 9.4000 | 9.0367 |
| h2 | 1.0000 | 2.5000 | 1.8995 |
| h3 | 0.3000 | 1.0000 | 0.8607 |
| h4 | 0.5000 | 2.0000 | 1.4463 |
| h5 | 0.5000 | 1.5000 | 1.5000 |
| h6 | 3.0000 | 7.0000 | 5.0000 |
| h7 | 1.0000 | 3.5000 | 3.5000 |
| h8 | 0.5000 | 9.9000 | 7.2481 |
表3 齿轮各设计参数范围 (mm)
Tab.3 Range of the gear’s design parameters
| 设计变量 | 下限 | 上限 | 初始值 |
|---|---|---|---|
| r1 | 1.4000 | 3.5000 | 3.0910 |
| r2 | 4.8000 | 9.0000 | 4.8000 |
| r3 | 1.5000 | 5.0000 | 4.3479 |
| r4 | 0.9000 | 3.5000 | 3.5000 |
| r5 | 1.0000 | 5.4609 | 5.4609 |
| r6 | 0.2000 | 3.0000 | 2.7452 |
| h1 | 8.6000 | 9.4000 | 9.0367 |
| h2 | 1.0000 | 2.5000 | 1.8995 |
| h3 | 0.3000 | 1.0000 | 0.8607 |
| h4 | 0.5000 | 2.0000 | 1.4463 |
| h5 | 0.5000 | 1.5000 | 1.5000 |
| h6 | 3.0000 | 7.0000 | 5.0000 |
| h7 | 1.0000 | 3.5000 | 3.5000 |
| h8 | 0.5000 | 9.9000 | 7.2481 |
| 速域内节径共振点数 | 辐板最大等效应力值/MPa | 质量/g | |
|---|---|---|---|
| 优化前 | 2 | 323.53 | 438.38 |
| 优化后 | 0 | 462.72 | 327.44 |
| 变化率 | 100% | 43.02% | -25.31% |
表4 齿轮优化前后对比
Tab.4 Comparison of gears before and after optimization
| 速域内节径共振点数 | 辐板最大等效应力值/MPa | 质量/g | |
|---|---|---|---|
| 优化前 | 2 | 323.53 | 438.38 |
| 优化后 | 0 | 462.72 | 327.44 |
| 变化率 | 100% | 43.02% | -25.31% |
| 节径数 | 优化前Fl/% | 优化后Fl/% | 优化前Fu/% | 优化后Fu/% |
|---|---|---|---|---|
| 2节径 | 32.10 | 15.61 | 31.79 | 15.10 |
| 2节径 | 33.56 | 18.11 | 33.86 | 18.64 |
| 3节径 | 48.62 | 42.37 | 48.37 | 41.99 |
| 3节径 | 49.78 | 43.72 | 50.02 | 43.97 |
| 4节径 | 78.33 | 74.06 | 78.17 | 73.88 |
| 4节径 | 79.05 | 74.75 | 79.21 | 74.87 |
| 5节径 | 110.92 | 107.27 | 110.85 | 107.20 |
| 5节径 | 111.26 | 107.59 | 111.34 | 107.65 |
表5 优化前后归一化节径固有频率对比
Tab.5 Comparison of normalized nodal-diameter natural frequency before and after optimization
| 节径数 | 优化前Fl/% | 优化后Fl/% | 优化前Fu/% | 优化后Fu/% |
|---|---|---|---|---|
| 2节径 | 32.10 | 15.61 | 31.79 | 15.10 |
| 2节径 | 33.56 | 18.11 | 33.86 | 18.64 |
| 3节径 | 48.62 | 42.37 | 48.37 | 41.99 |
| 3节径 | 49.78 | 43.72 | 50.02 | 43.97 |
| 4节径 | 78.33 | 74.06 | 78.17 | 73.88 |
| 4节径 | 79.05 | 74.75 | 79.21 | 74.87 |
| 5节径 | 110.92 | 107.27 | 110.85 | 107.20 |
| 5节径 | 111.26 | 107.59 | 111.34 | 107.65 |
| 设计变量 | 初始值/mm | 优化值/mm | 变化率/% |
|---|---|---|---|
| r1 | 3.0910 | 3.4072 | 10.23 |
| r2 | 4.8000 | 8.1048 | 68.85 |
| r3 | 4.3479 | 4.9186 | 13.13 |
| r4 | 3.5000 | 0.9586 | -72.61 |
| r5 | 5.4609 | 1.0737 | -80.34 |
| r6 | 2.7452 | 2.5075 | -8.66 |
| h1 | 9.0367 | 8.9828 | -0.60 |
| h2 | 1.8995 | 2.3025 | 21.22 |
| h3 | 0.8607 | 0.8206 | -4.66 |
| h4 | 1.4463 | 1.4285 | -1.23 |
| h5 | 1.5000 | 1.4266 | -4.89 |
| h6 | 5.0000 | 6.8938 | 37.88 |
| h7 | 3.5000 | 1.6590 | -52.60 |
| h8 | 7.2481 | 9.4137 | 29.88 |
表6 齿轮优化前后各设计参数对比
Tab.6 Comparison of the design parameters before and after gear optimization
| 设计变量 | 初始值/mm | 优化值/mm | 变化率/% |
|---|---|---|---|
| r1 | 3.0910 | 3.4072 | 10.23 |
| r2 | 4.8000 | 8.1048 | 68.85 |
| r3 | 4.3479 | 4.9186 | 13.13 |
| r4 | 3.5000 | 0.9586 | -72.61 |
| r5 | 5.4609 | 1.0737 | -80.34 |
| r6 | 2.7452 | 2.5075 | -8.66 |
| h1 | 9.0367 | 8.9828 | -0.60 |
| h2 | 1.8995 | 2.3025 | 21.22 |
| h3 | 0.8607 | 0.8206 | -4.66 |
| h4 | 1.4463 | 1.4285 | -1.23 |
| h5 | 1.5000 | 1.4266 | -4.89 |
| h6 | 5.0000 | 6.8938 | 37.88 |
| h7 | 3.5000 | 1.6590 | -52.60 |
| h8 | 7.2481 | 9.4137 | 29.88 |
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