功率分流齒輪傳動參數空間解域界及吸引域全局特性

林何　洪靈　劉霞　胥光申

摘要： 為揭示齒輪系統動力學全局解域特性，建立了功率分流直齒輪系統非線性振動模型，結合胞映射與區域分解思想構建了主要激振參數下的系統全局解域求解算法。求解了阻尼比分別與綜合傳動誤差、嚙合頻率和齒側間隙等參數配置下的平面解域界結構，揭示了兩參量解域區內的動態行為潛在趨勢，如倍周期分岔序列、混沌窗口帶等的遷移演化。借助Lyapunov指數對不同誤差幅值下分岔通道結構進行追蹤，驗證了分岔節點與解域界子域臨界點相吻合。數值求解多組阻尼比下的吸引域全局性態，發現混沌吸引域與周期1吸引子吸引域間相互擴張與進退演變激烈，二者胞域邊界處系統局部平衡態勢異常脆弱;當阻尼比為0.04時吸引域行為相對敏感，多吸引子共存現象突出。其結果可為齒輪系統振動優化及參數全局設計提供參考。

關鍵詞： 機械振動; 功率分流傳動; 胞映射; 解域界; 吸引域

中圖分類號： TH113.1; TH132.41; O322 ? ? 文獻標志碼： A ? ?文章編號： 1004-4523（2021）02-0235-08

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2021.02.003

引 ?言

在裝備制造領域齒輪傳動扮演了不可或缺的重要角色，特別在航空航天、新能源汽車、風電機組及高速軌道交通裝備等國民經濟重點行業，其需求更為強烈，其中，功率分流齒輪傳動形式因其獨特的結構布局在功重比及緊湊性等方面展現出突出優勢，正越來越受到重視[1?2]。振動和噪聲是衡量齒輪傳動動態品質的顯著要素，通常當系統運行至“不良”參數激振區，如間隙或時變剛度等的部分非線性激勵響應帶，系統的瞬態碰振或混沌傾向將顯著增大[3]。實際中齒輪副的工作難以避免地遭受內、外部激勵，反映在振動模型中即多參量間的作用最終誘發系統復雜動態反饋，如分岔、跳躍和混沌等。因此，全面地開展齒輪副傳動工況因素的監控對合理預測或規避無規則振動尤為必要。劉鎮星等[4]考慮了艦船搖擺環境下滑動軸承?齒輪副系統的動力學特性，觀測到較小齒隙下搖擺引起的擠齒現象。魏靜等[5]建立了針對齒廓修形與齒向修形時斜齒輪傳動剛度與誤差非線性耦合模型，分析了修形參數對系統動態特性的影響。Yang等[6]從輪齒裂紋擴展的角度，求解了裂紋尺寸對3自由度齒輪系統非線性振動的影響。現有齒輪系統模型動力學研究大都建立在單一參數激勵通道下，因分析手段的差異，對實際多源激勵的協同影響未能深刻揭示，同時響應結果的完整性呈現也受到局限。

胞映射思想最初由Hsu提出，用于離散空間域胞化求解，目前已擴展出插值胞映射、點映射?胞映射及廣義胞映射圖論法等諸多改進版本，兼顧可行性的同時效率與精度也不斷提升。在非線性動力學方面，胞化離散不僅可對系統狀態空間進行求解，還可從不同維度方向自由配置受關注的參數區，得到解域界細節[7?9]。解域界分析以區域離散技術為基礎，結合胞映射揭示參數空間和狀態空間特定目標域下的潛藏振動信息，對指導齒輪系統減振控制與動載優化具有積極意義。Kahraman和Singh借助Poincaré映射和相空間離散追蹤了多組吸引子吸引域的共存行為[10]。Farshidianfar和Saghafi基于Melnikov方法數值計算了單對齒輪副在全局域中的同宿分岔和混沌遷移路徑[11?12]，并對混沌參數帶進行了綜合性預測。林何等[13]采用解域離散與Lyapunov指數等工具獲取了并車螺旋錐齒輪系統兩參量平面上的解域界和倍周期分岔分布形態。在齒輪動力學領域[14?15]，各類嚙合激勵參數是與系統動態響應和振動行為息息相關的關聯要素，借助解域界和胞映射可將系統多源激振參數間共同作用下的動力學行為整體性態從更廣層面高效、詳盡地完成解析。本文對功率分流齒輪系統開展全局特性研究以不同維度參數域和特定初值狀態域為研究對象，解域界直觀呈現系統受激響應振動變化趨勢，在二維視角下揭示全局分岔與混沌路徑，相空間吸引域信息反饋出嚙合振動對初始狀況的敏感依賴性，揭示吸引子共存及吸引域演化等全局性態。

2 全局解域特性

假定從動輪g_1，g_2幾何結構與物理屬性完全相同;主、從動輪齒數分別為32，105，轉動慣量分別為0.003 kg·m2，0.197 kg·m2，模數為3，平均嚙合剛度為k=7.8×〖10〗^8 N/m;輸入扭矩T_0=188 N·m;阻尼比取ξ∈[0.01， 0.18];量綱一齒側間隙取b∈[0.1， 0.4];量綱一嚙合頻率取ω∈[0.1， 0.5]。

2.1 參數空間解域界

將ξ和E構成的參數域劃分為一系列規則矩形胞，各維度方向分割300個胞，以參數胞幾何中心代表的數值實施計算。取ξ×E有限域[0.05，0.18]×[0.05，0.21]，得到參數解域界如圖4所示，圖中Pi代表周期態為i。解域界內部是由聚集的1，2，3，4和8周期的參數胞構成，這些參數胞預示著系統的穩態行為和態勢。可以看出P1和P2狀態參數胞占據了較大片域，具有良好的穩定性，后續的4周期胞歷經短暫參數帶直接轉為8周期響應胞，再由8周期通道快速進入混沌域，這一過程與倍周期分岔規律相一致，同時也揭示了分岔通道的分布結構。當阻尼比增加到0.08時，解域界中出現了P3響應區，促使混沌區提前出現并呈擴大趨勢。從ξ×E域中豎直方向可以看出阻尼比在從0.05增至0.18的過程中，周期狀態間的轉變更為顯著，表明系統振動行為對阻尼比變化敏感。

從圖4中選取E=0.1，ξ∈[0.05， 0.18]工況參數，由圖5可知嚙合運動在阻尼比減小時經歷了倍周期分岔，依次出現1周期、2周期、4周期，…，混沌等轉變;此后，混沌域內局部區再次生成倍周期分岔窗口，阻尼比的減小使嚙合運動復雜化。混沌區響應的無規則性還導致了嚙合副正反向振動，嚙合位移存在負值，X>-1表明未產生齒背沖擊。圖6中兩條最大Lyapunov指數曲線定量表征了周期區（λ_1<0）與混沌區（λ_1>0）的參數域范圍以及振動的非線性強度，λ_1值越大表明非線性振動越強，λ_1曲線與分岔節點相吻合，二者共同驗證了圖4中解域界結果的準確性。

圖7中解域界由ξ×ω∈[0.05， 0.18]×[0.2， ? 0.6]構成，域內1周期和2周期為穩定后的主要狀態，其中ξ較大或ω較小時系統易趨向簡單周期運動。1周期胞域內出現不穩定混沌，在阻尼比方向呈狹長帶;隨著嚙合頻率的增大，系統運動狀態切換更頻繁并最終轉入混沌域，解域界直觀細致地展示了系統狀態的變化。圖8為ξ和b構成的解域界，隨阻尼比增大嚙合振動變化層次性較明顯，當b>0.2時，ξ在[0.07， 0.1]區間以混沌振動為主，該參數域界上邊界胞較為光滑，阻尼比方向呈周期倍化演變且狀態轉換未出現周期性跨越，同時齒側間隙相比阻尼比對系統狀態改變的驅動性要弱。從ξ×b中分別取胞值（0.15， 0.3），（0.12， 0.3），（0.115， 0.3）和（0.08， 0.3），在圖9中分別得到P1，P2，P4和混沌吸引子，與ξ×b解域界結果相一致。

2.2 狀態空間吸引域

狀態空間全局特性揭示系統在不同初值條件下長期運動趨勢。在X×X ˙∈[-3， 3]×[-3， 3]區域內取400×400個正規胞，在圖4混沌態子域中取ξ為0.1，E為0.205時測試吸引域性態（如圖10所示）。全局域主要由1周期吸引域（空白區）和混沌吸引域（灰色區）構成，二者基本覆蓋整個求解區，域邊界光滑連續，域內外層次分明，兩側存在跳變的可能，因外層為1周期域，故域外胞穩定性更好。符號B表示域邊界，即1周期吸引域與混沌吸引域的邊界胞構成，總數量為2479，此時中心區域吸引域演變更為激烈，兩吸引域間交錯嵌入現象明顯。計算知混沌胞的占比為40.36%，對比解域界圖4知子域驟變會導致系統狀態急劇轉變，致使局部平衡態勢異常脆弱，吸引子在受碰激發時極易趨向更穩定軌道上。

改變ξ至0.02時全局吸引域如圖11所示，相比ξ為0.1時吸引域間更加嵌入，但主要敏感空間有所縮小，覆蓋區由之前的[-3，3]×[-3，3]收縮至[-1，1]×[-1，1]，全局域仍以1周期域和混沌域構成，兩者狀態胞的數量分別為89760和71000，此時，兩吸引域交錯更深且接觸范圍更廣，表明低阻尼時系統響應狀態是較敏感的，起始狀態受干擾時易從一個吸引域轉入另一個吸引域。

當ξ增大為0.03時（如圖12所示），相空間中僅存在混沌域和P1吸引域，各吸引域均有向外發散擴充態勢，混沌吸引域螺旋結構相較于ξ為0.02時更寬，結構趨向簡單，各吸引域胞集變得更為集中，此時P1吸引子與混沌吸引子間相互轉移敏感性下降，表明系統對初始條件具有更強的抗干擾能力。

進一步增大ξ為0.04，由圖13和14可見混沌吸引域分布于4周期吸引域內側，此時域邊界分形特征清晰，這些鑲嵌于4周期吸引域內部的初值將在穩態時促使系統收斂入混沌態。狀態變化主要集中在4周期吸引域的外圍，1周期吸引域在整個域中所占比達40.77%，混沌胞全局占比約10.97%，從動載特性角度知1周期具有更好的穩定性，因為其胞元構成區域相對集中且未出現其他散亂的高周期干擾胞。4周期吸引域范圍內還出現了少量不穩定的2周期吸引胞，分布較為散亂，大部分散落在4周期域內部。由于存在4周期、混沌和2周期吸引子共存聚集，此狀態域內系統更易出現波動，少量2周期胞在受激時易被吸引到臨近的域內，促使原吸引子失穩再遷移。繼續計算ξ為0.05時，發現阻尼比的增大迫使4周期吸引域加速退化，1周期吸引域和混沌域不同程度地擴張。可見阻尼比越大系統振動越易收斂到穩定的1周期上，即增大阻尼比可在一定程度上抑制齒輪系統發生多周期或混沌振動。

3 結 ?論

（1）基于區域分解技術與胞映射思想構建了齒輪系統參數空間解域界求解數值算法，并給出了其求解流程。

（2）解域界對混沌窗口帶、分岔節點及子域邊界等結構信息給出了準確預測，綜合傳動誤差與阻尼比構成的解域界中模擬出了倍周期分岔序列演化發展歷程。齒側間隙與阻尼比構成的解域界中齒側間隙相較于阻尼比對系統狀態改變的驅動性要弱。

（3）解域邊界處系統狀態局部平衡較為脆弱，阻尼比增大，混沌吸引子吸引域不斷退化，1周期吸引子吸引域進而擴張，全局吸引域邊界分形特征趨向簡單，增大阻尼比可抑制齒輪系統對初值條件的敏感依賴性。

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Global characteristics of basin of attraction and parameterized solution domain of power-split gear transmission

LIN He1，2，3， HONG Ling2， LIU Xia1，3， XU Guang-shen1，3

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Xi'an Polytechnic University， Xi'an 710048， China;

2. State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures， Xi'an Jiaotong University， Xi'an 710049， China;

3. Xi'an Key Laboratory of Modern Intelligent Textile Equipment， Xi'an Polytechnic University， Xi'an 710600， China）

Abstract： In order to investigate the global characteristics of dynamic solutions of gear systems， a nonlinear dynamical model of the power-split spur gear transmission is established， and the calculation algorithm regarding global solutions under main excitation parameters is deduced based on cell mapping method （CMM） as well as domain decomposition method （DDM）. Parametric planar solution domains constructed by damping ratio respectively with synthetically transmission error， mesh frequency and backlash are computed， and the potential global evolution behaviors within solution domains are exhibited， such as period-doubling bifurcation cascades， chaotic window zones. The bifurcation routes inside solution domain with respect to varied error magnitudes are tracked by applying largest Lyapunov exponent， which demonstrate that bifurcation nodes are in consistent with the subdomain boundary points presented in parameterized solution domain. By numerically calculating the global behaviors of the basin of attraction under multiple damping ratios， it is shown that mutual expansion and retrogression between the chaotic basin of attraction and the period 1 basin of attraction are remarkably， and the local equilibrium of the cells nearby the boundary is extremely unstable. The basin of attraction is sensitively while the damping ratio reaches 0.04， and multiple attractors coexisting phenomenon exhibits significantly. The result could provide references for vibration optimization or even global design of dynamic parameters for gear system.

Key words： mechanical vibration; power-split gear transmission; cell mapping method; parameterized solution domain; basin of attraction

作者簡介： 林 ?何（1985-），男，副教授。電話：（029）62779107;E-mail： linhe@xpu.edu.cn

通訊作者： 胥光申（1964-），男，教授。電話：（029）62779109;E-mail： xugs988@126.com