1.1.1 鼓形齿的研究背景

渐开线圆柱齿轮传动因其传动平稳，结构紧凑，便于制造与维护，承载性能好，生命周期长等优点，已成为迄今应用最早、最广的一种齿轮传动。但随着高速信息时代的到来，越来越多的机械设备需在高速重载的工况下工作，这就需要提高齿轮的转速与承载能力。但与此同时，齿轮的热变形或机械变形都将明显增大，再加上安装制造误差，不可避免地会出现齿牙变形，啮入或啮出变形，载荷的突变，速度波动与不同振型、频率组成的各阶的振动，从而降低承载能力，缩短使用寿命，降低传动精度，增大振动噪声等。因此，我们有必要开发适合高速重载下工作的齿轮，这就需要对轮齿进行修形。

轮齿修形的出发点就是尽可能使齿轮受载变形以后齿面压力分布均匀，在轮齿修形后仍能保持平衡运转，减少冲击。轮齿修形的技术有很多，但概括起来就两种：齿向（即沿齿宽方向）修形和齿高（即沿齿廓方向）修形。

鼓形齿就是一种齿向修形齿，常用在联轴器中，与直齿相比有以下优点：

1、承载能力强。在相同的内齿套外径和联轴器最大外径下，鼓形齿式联轴器的承载能力平均比直齿式联轴器提高15%～20%。

2、角位移补偿量大。当径向位移等于零时，直齿式联轴器的许用角位移为1°，而鼓形齿式联轴器的许用角位移为1°30'，提高50%。在相同的模数、齿数、齿宽下，鼓形齿比直齿允许的角位移大。

3、鼓形齿面使内、外齿的接触条件得到改善，避免了在角位移条件下直齿齿端棱边挤压，应力集中的弊端，同时改善了齿面摩擦、磨损状况，降低了噪声，维修周期长。

4、传动效率高达99.7%。

随着我国高铁事业的迅猛发展，作为动车机构的关键部位——鼓形齿联轴器的需求也不断上涨，同时对鼓形齿联轴器的承载能力、可靠性、效率、圆周速度、体积和重量等技术和经济指标提出了愈来愈高的要求。鼓形齿联轴器就是在直齿齿式联轴器的基础上为满足大倾角、变倾角、小尺寸和高可靠性等技术要求发展起来的。鼓形齿联轴器的结构基本上是对称的。从齿顶方向看外齿轴套上的齿为鼓形齿，齿厚从中心到两边逐渐减小，与它相啮合的内齿圈上的齿为直齿。由于外齿轴套齿顶和齿面都是弧形的，因此整个联轴器是双活节的，并且是挠性的，这样就可以适应两个轴线间的较大偏角[3-4]。

1.1.2 动车鼓形齿联轴器的国内外研究现状

(1)国外现状

(2)国内现状

(3)目前存在的问题

1.2 课题研究的主要内容

动车鼓形齿联轴器的技术重点在于鼓形齿，该课题的主要研究内容就是考虑鼓形齿在实际运行中的变形，建立鼓形齿的刚柔耦合模型，对其振动特性进行仿真，并与刚体模型的结果进行比较。

(1)以某一典型高速列车鼓形齿联轴器为研究实例，在了解其工作原理和外形特征的基础上，利用三维造型软件UG NX，对鼓形齿联轴器进行三维建模，为后续的有限元分析和振动分析做准备。

(2)在大型CAE软件如MSC、Patran基础上进行联轴器有限元分析，网格划分后进行模态分析，完成鼓形齿的柔性化处理，观察每一阶模态的变形情况。

(3)采用ADAMS软件建立联轴器的运动学仿真模型进行刚柔耦合，并对该模型进行振动学分析和仿真，仿真结果用于指导系统设计。

(4)将刚体模型导入ADAMS中，进行模拟仿真，比较两种不同模型的研究结果。

1.3 课题研究的方法与步骤

1.3.1 研究方法

本课题在目前国内外高速动车鼓形齿研究的基础上，以具体的鼓形齿联轴器的复杂型面为研究对象，使用UG等三维软件对联轴器进行三维建模，对联轴器关键部件鼓形外齿进行Patran有限元分析，在此分析基础上运用ADAMS对模型进行刚柔耦合，并对刚柔耦合模型进行振动特性分析和仿真，得出振动特性曲线。