关键词： 双渐开线齿轮   齿距误差   齿面磨损   动力学模型  

摘要： 双渐开线齿轮是一种综合了渐开线斜齿轮与双圆弧齿轮定传动比、高齿面接触强度及高齿根位置弯曲强度等优点的新型齿轮,其齿轮端面齿廓由上下两段渐开线与齿腰分阶位置的一段过渡曲线构成。目前,对理想状态下双渐开线齿轮动态接触特性及齿轮动力学特性研究较为深入,对考虑齿面磨损及齿距误差导致误差改变而影响齿轮传动系统动态特性的研究较少。本文研究双渐开线齿轮在不同工况下磨损量分布和考虑齿面磨损及齿距误差的动力学特性,通过建立有限元模型、多柔体动力学模型及数学模型研究齿面磨损及齿距误差对齿轮接触及振动特性的影响。具体研究内容如下: (1)根据赫兹接触理论、等效接触模型及时变接触线长度百分比法等,对双渐开线齿轮的啮合特性展开研究;分析齿轮磨损深度分布规律,基于改进后的Archard磨损模型,借助MATLAB建立双渐开线齿轮磨损模型;建立经典Archard磨损计算模型与考虑在润滑下改进后的Archard磨损计算模型,分析两种状态下双渐开线齿轮与普通渐开线齿轮磨损深度分布规律;讨论不同转矩与齿轮螺旋角对磨损深度的影响。 (2)研究含齿距误差双渐开线齿轮动力学特性及接触应力分布,建立含齿距误差的双渐开线齿轮三维模型;基于有限元法,研究齿距误差对双渐开线齿轮齿面接触应力分布影响;基于多柔体动力学理论,研究齿距误差对齿轮动态啮合力、角加速度动力学特性影响;分析转速、转矩对含齿距误差齿轮动力学特性的影响。 (3)考虑磨损及齿距误差对齿轮传动系统动态特性的影响,搭建双渐开线齿轮悬臂梁模型与扭转振动力学模型;基于能量法,分析磨损对齿轮时变啮合刚度的影响;将计算获得不同磨损程度齿轮系统静态传递误差代入扭转振动力学模型,研究考虑齿面磨损及齿距误差对双渐开线齿轮传动系统在扭转方向上动态特性影响。 (4)在齿轮封闭实验台,采集处于润滑状态下双渐开线齿轮运行后振动加速度;对比理论分析与实验结果,分析运行对齿轮动力学特性影响及验证仿真结论的正确性;分析双渐开线齿轮在不同转速、转矩时齿轮三个方向的振动加速度变化情况。

关键词： 非晶碳薄膜   中间层   离子注渗技术   力学性能   摩擦学性能  

摘要： 航空齿轮作为航空装备的关键部件之一,在航空领域中起着举足轻重的作用。但是,传统的航空齿轮材料难以满足高温、高转速、重载荷服役条件,无法保证装备的服役寿命。因此,通过表面强化技术制备高稳定、低摩擦、长寿命的航空齿轮材料,对改善航空装备的润滑状态、解决制约航空装备可靠性和寿命瓶颈问题具有十分重要的意义。本文首先研究了TiSiN薄膜作为中间层其内部结构变化对碳薄膜性能影响。其次,通过设计TiSi/TiSiN/TiSiC/a-C:H多层结构以提高薄膜和基底之间的匹配性。最后,通过低温离子注渗和低摩擦碳薄膜这两种技术复合的方法解决了航空齿轮钢力学性能差和耐磨性差的问题,大幅提高航空齿轮钢表面的力学性能及摩擦学性能。具体研究内容如下: （1）利用中频磁控溅射技术制备了系列TiSiN薄膜作为中间层,通过SEM、XRD、TEM、纳米压痕和四探针等表征手段分析了薄膜的内部结构、组成成分、力学性能和电学性能。结果表明:TiSiN是一种镶嵌在非晶基体中由晶粒组成的纳米复合材料,其中,TiN是TiSiN薄膜的显著相。TiSiN薄膜具有结合致密、分布均匀、表面平整和粗糙度低的优势。随着氮元素含量的增加,在TiSiN薄膜内形成Si3N4,可以有效地抑制TiN颗粒的长大,并细化薄膜表面的晶粒,显著地提高了薄膜的硬度TiSiN薄膜。通过优化氮气流量,在Ar/N2=30/10时,薄膜的硬度和弹性模量最优,分别达到16.2和149.3 GPa,TiSiN薄膜表现出极强的抵抗塑性变形的能力。然而,随着氮气流量的增加,TiSiN薄膜的电阻率增加,导电性能下降。 （2）利用中频磁控溅射技术制备了系列TiSi/TiSiN/TiSiC/a-C:H多层薄膜,研究了中间层对碳薄膜的结构和性能的影响。TiSi/TiSiN/TiSiC/a-C:H多层薄膜与衬底之间表现出良好的连续性和界面结合,同时,薄膜表面粗糙度较低。通过调节TiSiN中间层的氮含量,促进TiSiC薄膜sp2-C向sp3-C的转变,以提高薄膜的力学性能。在Ar/N2=30/10时,TiSiC薄膜具有最高的硬度（9.3 GPa）和最好的结合力（12.52 N）。a-C:H薄膜在氮气流量为10 sccm时,具有最高的硬度（15.50GPa）和弹性模量（125.60 GPa）以及最优的结合力（13.4 N）。所有样品的摩擦系数均低于0.1,特别是在氮气流量为10 sccm时,薄膜的摩擦系数达到最小值为0.032。较无氮样品,加入中间层TiSiN的含氢碳薄膜摩擦系数均降低,表明中间层TiSiN薄膜能够使含氢碳薄膜具有较优的减摩性能。在氮气流量为10 sccm样品中,其磨损率最小为1.8×10-17 m3/N·m,其余样品的磨损率也均在10-17 m3/N·m数量级,具有较小的磨损率。在摩擦过程中,a-C:H薄膜发生sp3-C结构向sp2-C发生转变,滑动界面的sp2-C团簇尺寸增加,石墨化程度变高,这有利于减摩和降低磨损率。因此,高机械强度和高石墨化转移膜是低摩擦学性能的决定因素。 （3）利用空心阴极放电技术和中频磁控溅射技术对齿轮钢（16Cr3NiWMoVNb）进行氮离子注渗后及表面低摩擦碳薄膜沉积。结果表明样品在空心阴极放电中成功氮化以及注渗复合碳薄膜表面粗糙度减小,该薄膜结构致密稳定不易被氧化。氮离子注渗后,齿轮钢表面氧化物含量减少,在表面形成氮化物。表明氮化物对齿轮钢具有保护钝化作用,防止齿轮钢表面发生氧化。因此,注渗钢表面沉积低摩擦碳薄膜可以使钢表面的稳定性能提高。与原始钢相比,注渗钢表面硬度得到大幅度提升,摩擦系数没有明显变化。但是,注渗钢复合碳薄膜样品的摩擦系数具有明显的降低,最优样品磨损率为7.4×10-16 m3/N·m,相较原始样品降低了近两个数量级。经拉曼分析,高石墨化转移是降低摩擦磨损的主要原因。因此,离子注渗和碳薄膜双重技术对改善航空齿轮钢的力学和摩擦学性能具有重要意义。

关键词： 螺旋锥齿轮   近净成形   微观组织演化   参数优化  

摘要： 螺旋锥齿轮是机械传动的关键部件,包含相交轴传动的弧齿锥齿轮和相错轴传动的准双曲面齿轮,广泛应用于汽车、航空等领域。目前,螺旋锥齿轮的制齿方式主要以铣削加工为主,存在制齿效率低、生产成本高和严重的资源浪费等问题。采用近净成形精密锻造生产的螺旋锥齿轮仅需少量的切削甚至无需切削,不仅降低了制造成本,还可以使金属流线纤维沿齿廓分布更为合理,从而显著提高了齿轮的承载能力和使用寿命。同时,在热变形中金属材料内部微观组织形态的变化也直接影响金属外在的机械性能,微观组织存在缺陷已成为导致锻件报废的重要原因之一。因此,分析螺旋锥齿轮内部组织的演变行为规律对提高螺旋锥齿轮的性能具有较高的研究意义与工程价值。 本文围绕螺旋锥齿轮近净成形工艺过程中各工序内部微观组织的变化,主要包括温度场、应变场以及动态再结晶体积分数和平均晶粒尺寸大小分布等情况开展相关技术研究,并根据各工艺参数对其微观组织的影响规律进行多目标优化分析,旨在获得内部组织分布均匀且细小的螺旋锥齿轮锻件。主要研究内容如下: (1)通过对齿轮钢20CrMnTiH高温变形流动行为进行热模拟实验研究,构建了20Cr Mn Ti H钢的流变应力模型。设计了螺旋锥齿轮的热锻工艺流程,结合二维零件图及加工范围要求,确立了热锻三维模型图和锻压模具模型图。最终根据等体积法计算出了加工该齿轮所需的初始棒料体积。 (2)利用Deform软件建立了螺旋锥齿轮的热锻变形-微观组织演化的二维、三维有限元模型,并设置了相关参数。模拟分析了齿轮在各个成形工艺环节过程中温度、应变及内部微观组织的分布特点和演化规律。根据实际生产经验进一步分析了不同工艺参数对锥齿轮内部微观组织的影响规律,并结合锥齿轮的受力情况重点对齿轮齿形区域的晶粒尺寸大小和分布均匀性进行了分析。 (3)结合响应面方法与有限元模拟技术,拟合了坯料高径比、棒料初始温度、模具的打击速度、摩擦因子这四个工艺参数与轮齿微观组织之间的响应面模型,通过变异系数等分析验证了模型的可靠性。通过对响应曲面结果的分析,进一步得到了工艺参数以及它们之间的交互作用对组织演化规律的影响,利用多目标优化进行迭代求解,获得了能够使螺旋锥齿轮具有均匀且细化的内部组织的工艺参数组合。 (4)基于优化得到的工艺参数组合进行了实际的加工生产实验,将生产的锻件齿形部位切片、处理并选定不同区域进行金相实验,进行实验结果与模拟结果的对比分析,确定误差在10%以内,从而验证了本文工艺方案的可行性与工艺参数优化的可靠性。

关键词： 齿轮箱   故障诊断   图卷积神经网络   图注意力网络  

摘要： 齿轮箱是机械传动系统中的核心组件,在各种机械设备中扮演着不可或缺的角色。但齿轮箱往往容易出现各种故障。因此,对齿轮箱进行及时准确的故障诊断显得尤为重要。传统的齿轮箱故障诊断方法通常依赖于经验丰富的专业技术人员,其主要根据对声音、振动等信号的主观判断。然而,这种方法存在主观性强、依赖于专家知识和经验的缺点,且在处理复杂情况下的准确率有限。随着深度学习技术的迅速发展,基于图神经网络的齿轮箱故障诊断方法逐渐引起了人们的关注和重视。利用图神经网络的图形优势来描述齿轮箱系统中复杂的结构关系,将齿轮箱的各个组件以及它们之间的相互作用建模为图的节点和边,可以更加直观地捕捉到数据之间相互关系。从而有效提取故障特征,解决图神经网络故障诊断中标记样本不足、过拟合和动态故障诊断等问题。本文具体研究工作如下: (1)针对图神经网络在故障诊断中标记样本不足和样本难以获取问题,提出一种有限标记样本下基于K近邻和平滑假设的对抗图卷积神经网络故障诊断方法。基于KNN和平滑假设设计标签传播策略,并计算欧式距离测量频域特征之间的相似性进行图模型构建;构建双通道图卷积网络对图结构进行处理,通过两个独立的图卷积层分别提取故障特征,将节点的特征信息与邻居节点相结合,从而获得更加丰富和准确的节点表示;为获取其更复杂的节点特征表示,减小模型过拟合的风险,通过多层感知机进行非线性变换,进一步对特征提取和组合。同时,引入对抗性损失提高了模型的鲁棒性和泛化能力,使其能够更好地处理未标记样本。 (2)针对图神经网络方法在齿轮箱故障诊断方面的样本相似性建模的局限性以及模型过拟合问题,提出一种基于加权距离度量下残差连接的图注意力网络。通过构建全连接图以生成邻接矩阵,并结合多种距离度量方法,充分挖掘样本之间的相似性;利用图注意力网络进行节点特征聚合,结合残差连接以减轻模型梯度消失风险;在Adam优化器中融入L2正则化及偏置校正,以降低过拟合问题。从而有效提取样本间相似性实现齿轮箱的故障诊断。 (3)针对齿轮箱在复杂的工业环境中,数据可能存在多种结构和内在联系,传统方法可能难以充分捕捉存在噪声数据的样本特征和数据动态更新的问题,限制了故障诊断的准确性。提出一种多头动态图注意力网络与协同相似性图的故障诊断方法。通过协同相似性图构建技术(包括K-近邻关联图、基于阈值的余弦相似度、全连接图和最小生成树),生成代表性的图结构,有效捕捉样本间的内在结构关系。随后,利用多头图注意力网络对图进行处理和动态图提取节点关系,提升模型的建模能力,从而有效提取样本之间的多种内在联系,提高模型的故障诊断性能。

关键词： 新能源汽车   驱动桥   齿轮   齿面检测   质量控制  

摘要： 新能源汽车的驱动系统对于整车的性能具有重要作用，驱动桥齿轮是其中的关键部件。齿面质量直接影响着齿轮的传动效率，所以要对齿面质量严格控制。本文探讨了新能源汽车驱动桥齿轮齿面的检测技术和质量控制方法，介绍了新能源汽车驱动桥的特点和齿轮的作用，分析了常用的齿轮齿面检测技术，从设计优化、材料选择与处理、加工工艺优化、检测与反馈控制等方面提出了齿轮齿面质量控制方法。

关键词： 面齿轮   安装误差   修形   承载接触分析  

摘要： 面齿轮传动是一种由圆柱齿轮和面齿轮组成的角度传动机构,在航空航天、汽车工程等传动装置上得到了广泛的应用。面齿轮承载接触分析可以得到诸如承载接触路径、齿面接触应力、齿根弯曲应力、承载传动误差等承载接触特性参数,在一定程度上反映实际应用中齿轮的承载接触特性,对齿轮传动设计具有一定的参考性。当前对面齿轮进行承载接触分析的主要方法是先在三维软件中进行建模再导入有限元仿真软件进行分析,这种方法会使得建模的精度和效率较低,并且在装配时会造成齿面干涉的现象,所以也有在数值计算软件例如Matlab中进行承载接触分析的方法,但是对于修形后的齿轮,由于齿面点不连续的原因,在进行计算迭代时会出现不收敛的情况,导致程序无法进行计算。因此,本文研究了一种面齿轮传动有限元精确装配模型的构建方法,提高了建模精度和效率,可以对修形或含有安装误差的面齿轮进行承载接触分析。主要研究内容和成果如下: (1)根据微分几何和面齿轮啮合原理的内容推导了螺旋圆柱齿轮和面齿轮的齿面方程,通过数值计算得到了面齿轮传动有限元模型的装配转角,编写程序建立了面齿轮传动有限元网格装配模型并对有限元前处理条件进行设置,在后处理模块,通过编写脚本文件对参数进行提取和计算,得到了面齿轮的承载接触特性,并对有限元建模的正确性进行了验证。 (2)在无误差及含有安装误差的情况下,对面齿轮的承载接触印痕、齿面接触应力、齿根弯曲应力、承载传动误差等承载接触特性进行了比较分析。结果表明:安装误差会对面齿轮的啮合情况产生影响,当安装误差过大时,面齿轮齿面会产生应力集中和干涉的现象,当Δγ=0.01°时,齿面最大接触应力为896.51MPa,与标准安装的情况相比增大了41.33%,且轴向安装误差与轴夹角安装误差对承载接触特性的影响大于偏置安装误差。在两项安装误差耦合的情况下,保持一项安装误差不变,则另一项安装误差对承载接触特性的影响规律与单项安装误差作用时相同。 (3)对齿面修形后的面齿轮传动进行了承载接触分析,在对齿面进行修形后,面齿轮齿顶与齿根在啮合时产生边缘接触的情况面齿轮传动的啮合情况得到改善,降低了边缘接触时的接触应力,当Δa=7.2μm时,面齿轮齿面的最大边缘接触应力为265.44MPa,相对于未修形的面齿轮齿面减小了58.15%,齿面接触应力和承载传动误差绝对值降低,当Δa=7.2μm时承载传动误差最小值为-4.51″,与未修形前的承载传动误差最小值-6.57″相比减小了31.35%。齿面修形后面齿轮传动啮合的平稳性增强。

关键词： 发动机   面齿轮   中央传动  

摘要： 面齿轮作为航空发动机的核心部件，具有广泛的应用前景和发展潜力。在现代航空工业中，面齿轮的性能和可靠性已经成为衡量一个引擎质量的重要指标。由于面齿轮的运动特性复杂且会受到多种因素的影响，如材料选择、加工精度、表面粗糙度等，所以面齿轮的设计是一个复杂的过程。本文通过对航空发动面齿轮的工作原理以及动力学特性进行分析，提出了面齿轮中央传动设计方案，为航空发动机技术的发展提供了一定的参考价值。