拉维娜式行星齿轮传动系统的非线性动力学分析

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.250046

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 53 ›› Issue (10): 109-117.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.250046

拉维娜式行星齿轮传动系统的非线性动力学分析

莫帅¹^,², 黄涛疆¹^,², 胡勇军¹^,², 陈素姣³, 施文爱⁴, 张伟¹

^1.广西大学特色金属材料与组合结构全寿命安全国家重点实验室，广西南宁 530004
^2.广西大学机械工程学院，广西南宁 530004
^3.柳工柳州传动件有限公司，广西柳州 545007
^4.方盛车桥（柳州）有限公司，广西柳州 545006

收稿日期:2025-02-28 出版日期:2025-10-25 发布日期:2025-05-16
作者简介:莫帅（1987—），男，博士，教授，主要从事齿轮传动系统动力学研究。E-mail： moshuai2010@163.com
基金资助:
广西科技重大专项(AA24263074);广西科技重大专项(AA23073019);广西杰出青年科学基金项目(2025GXNSFFA069016);国家自然科学基金项目(52265004)

Nonlinear Dynamic Analysis of Ravigneaux Planetary Gear Transmission System

MO Shuai¹^,², HUANG Taojiang¹^,², HU Yongjun¹^,², CHEN Sujiao³, SHI Wenai⁴, ZHANG Wei¹

^1.State Key Laboratory of Featured Metal Materials and Life-Cycle Safety for Composite Structures，Guangxi University，Nanning 530004，Guangxi，China
^2.School of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，Guangxi，China
^3.Liugong Liuzhou Driveline Co. ，Ltd. ，Liuzhou 545007，Guangxi，China
^4.Fangsheng Axle （Liuzhou） Co. ，Ltd. ，Liuzhou 545006，Guangxi，China

Received:2025-02-28 Online:2025-10-25 Published:2025-05-16
About author:莫帅（1987—），男，博士，教授，主要从事齿轮传动系统动力学研究。E-mail： moshuai2010@163.com
Supported by:
the Guangxi Science and Technology Major Program(AA24263074);the Guangxi Natural Science Fund for Distinguished Young Scholars(2025GXNSFFA069016);the National Natural Science Foundation of China(52265004)

摘要/Abstract

摘要：

为提升车辆变速器运行过程中的传动平稳性，该文针对变速器中的拉维娜式行星齿轮传动系统，深入分析其非线性振动特性，建立了一种包含多种非线性因素耦合的拉维娜式行星齿轮传动系统动力学模型。该模型综合考虑时变啮合刚度、时变啮合阻尼、综合传动误差、动态啮合力以及时变摩擦力等非线性因素。基于牛顿第二定律推导出系统的非线性动力学微分方程组，并采用Runge-Kutta数值积分方法对系统微分方程组进行迭代求解，得到系统在不同外部激励频率条件下的动态响应特性。为研究不同激励频率对前、后太阳轮齿轮副振动位移的影响，该文绘制了时间历程图、频谱图、相图以及Poincare图。分析表明，两条齿轮副的振动位移演化规律呈现出一致性。为进一步揭示系统非线性响应演化规律，采用分岔图与空间瀑布图分析外部激励频率对系统非线性行为的影响并揭示其演化过程。结果表明：两条齿轮副的振动位移随着外部激励频率的变化，经历了混沌运动、倍周期分岔，最终达到单周期运动的非线性演化路径。通过合理调节外部激励频率，可有效抑制整个系统的非稳态振动，减小冲击载荷，从而提升系统的稳定性并延长齿轮传动寿命。该研究为实现高性能、高可靠的新能源汽车变速器的设计与优化提供了理论依据和工程参考。

关键词: 拉维娜式行星齿轮, 非线性系统, 动态响应, 分岔与混沌

Abstract:

To enhance the transmission stability during vehicle gearbox operation, this paper analyzed the nonlinear vibration characteristics of the Ravigneaux planetary gear transmission system in the transmission, and established a dynamic model of the Ravigneaux planetary gear transmission system including a variety of nonlinear factors. The model comprehensively considers nonlinear factors such as time-varying meshing stiffness, time-varying meshing damping, comprehensive transmission error, dynamic meshing force and time-varying friction force. Based on Newton’s second law, the nonlinear dynamic differential equations of the system were derived, and the Runge-Kutta numerical integration method was used to iteratively solve the differential equations of the system to obtain the dynamic response characteristics of the system under different external excitation frequencies. To investigate the impact of different excitation frequencies on the vibration displacement of the front and rear sun gear pairs, this study constructed time history diagrams, frequency spectra, phase portraits, and Poincare maps. The analysis shows that the vibration displacement evolution law of the two gear pairs is consistent. In order to further reveal the evolution law of the nonlinear response of the system, the bifurcation diagram and the spatial waterfall diagram were used to analyze the influence of the external excitation frequency on the nonlinear behavior of the system and reveal its evolution process. The results show that vibration displacement of the dual gear pairs undergoes a nonlinear evolution path along with variations in external excitation frequency: transitioning from chaotic motion through period-doubling bifurcation, and ultimately converging to periodic motion. By reasonably adjusting the external excitation frequency, unsteady vibrations can be effectively suppressed throughout the system, transient impact loads reduced, thereby enhancing operational stability and extending gear transmission service life. This research provides both theoretical foundations and engineering references for designing and optimizing high-performance, highly-reliable transmissions for new energy vehicles.

Key words: Ravigneaux planetary gear, nonlinear systems, dynamic response, bifurcation and chaos

中图分类号:

TH132.41

莫帅, 黄涛疆, 胡勇军, 陈素姣, 施文爱, 张伟. 拉维娜式行星齿轮传动系统的非线性动力学分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(10): 109-117.

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图/表 12

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参考文献 21

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拉维娜式行星齿轮传动系统的非线性动力学分析

Nonlinear Dynamic Analysis of Ravigneaux Planetary Gear Transmission System

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