关键词： 塑料齿轮   粘弹性理论   齿轮动力学   电动汽车减速器  

摘要： 随着汽车工业对“绿色、环保”理念的日益重视,推动“以塑代钢”成为发展趋势。随着材料科学的创新和成型工艺的优化,塑料齿轮的承载强度不断提高,其在汽车中的应用范围不断扩大。从早期的轻载、低速场合,到高转速、重载荷领域。尽管塑料齿轮的应用范围不断扩大,但与金属齿轮相比,其研究尚不充分。塑料为粘弹性材料,受力时的变形特性与金属材料存在显著差异,深入研究塑料齿轮的动力学特性,有助于为设计高品质的塑料齿轮传动系统提供理论支持。本文主要的研究内容如下: (1)分析了各种粘弹性力学模型的特点,确立了选取粘弹性力学模型的原则,依据广义Maxwell模型建立了一对塑料齿轮轮齿力学模型,在ABAQUS中建立了一对单齿啮合模型,并将粘弹性、密度等材料参数定义在模型的材料属性中,对模型施加固定的转矩,将生成的应变曲线与塑料齿轮单齿力学模型进行了拟合,从而获得塑料齿轮轮齿啮合模型参数。 (2)建立了一个考虑线外啮合效应和多个齿对交替啮合激励的塑料齿轮动力学模型,使用微分形式的Prony级数与塑料齿轮动力学方程耦合起来,描述塑料齿轮轮齿的粘弹性行为。研究了具有相同基本参数的环氧树脂齿轮和钢齿轮副在相同工作条件下的动态性能;揭示了塑料齿轮在转速上升过程中动载系数和动态传递误差的变化趋势。 (3)建立了一个包含12个自由度的塑料-钢混合齿轮减速器动力学模型,其中高速级采用塑料齿轮副,低速级采用钢齿轮副,综合考虑了齿轮啮合激励、中间轴的扭转变形以及支撑结构的刚度和阻尼。分析了系统在冲击负载和高速工况下的动态响应:在冲击负载工况下,重点研究了中间轴扭转刚度对系统动态性能的影响;在高速工况下,重点研究了两级齿轮副之间的耦合效应。 (4)基于塑料齿轮的特性设计了塑料齿轮试验机。试验机的主要目标包括测量塑料齿轮的传递误差与塑料齿轮的单齿啮合松弛刚度。选择圆光栅法作为试验机的测量手段。比较了不同形式的试验机,选择开放式直线布置形式。设计了试验机的整体结构,对关键部件进行了选型与设计,完成了塑料齿轮试验机的装配设计。

关键词： 范成仪   功能元   可变位   机构创新设计   有限元分析  

摘要： 范成实验作为机械工程领域《机械原理》课程的核心实验之一,通过使用齿轮范成仪装置进行实体演示和操作,为学生提供了一个直观的平台,以帮助他们深入理解和掌握齿轮范成的基本原理。然而,当前范成教学仪器在实践中大多依赖于手工操作,这不仅效率低下,而且在自动化水平上亦显不足。鉴于此,开发一种自动化水平高的范成仪器对于提升教学效率、加深学生对机械原理理解具有显著的教育意义和实践价值。 首先,采用基于功能元求解的方法对全自动可变位齿轮齿条范成仪进行了功能分析和设计,整体设计分为刀具拓印、轮坯转动、可变位三大模块。在此基础上,结合模糊评价方法,对所选方案进行排序,从而得到了全自动可变位齿轮齿条范成仪设计方案的较优解。 其次,为了进一步明确设计要点,增添了驱动和刀具更换模块。在完成整体的框架结构设计之后,针对不同模块的机构进行了分析和计算。对驱动模块的蜗轮蜗杆减速器进行了强度校核;针对刀具拓印模块,进行了执行机构的创新设计,通过组合凸轮机构和齿轮-连杆机构,实现了刀具的上下拓印;纸盘回转模块采用槽轮机构驱动,以实现纸盘轮坯的间歇转动;可变位模块则采用齿轮-连杆机构,实现了正负变位的调节。对刀具更换模块,采取可拆换设计,以提供两种刀具交替使用。 然后,使用ANSYS Workbench对减速器进行瞬态动力学和模态分析,得到减速器在工作过程中的应力应变情况和固有振动特性,确保减速器结构正常工作的稳定性和可靠性。 最后,对整体方案进行SolidWorks三维建模,并按比例制作出装置模型,对模型进行组装调试。 按上述思路设计的全自动可变位齿轮齿条范成仪,实现了从手动齿廓线绘制向全自动拓印的转变。这一设备使学生能直观学习齿轮和齿条刀具加工渐开线齿轮的范成运动原理,并具备精准变位功能。该范成仪已投产,实现了对现有教学设备的升级换代。

关键词： 小模数齿轮   金属粉末注射成形工艺   烧结开裂   粉末粒径   烧结温度  

摘要： 小模数齿轮作为精密减速器最基本的传动部件,广泛应用于小型机器人领域。以小型机器人为代表的重要领域对小模数齿轮的批量加工能力提出了更高要求,金属粉末注射成形（Metal powder injection molding,MIM）工艺的发展为小模数齿轮的批量加工提供了新的研究思路。然而,MIM小模数齿轮的综合性能问题却成为制约其发展的重要因素。如何调整MIM工艺从而提高MIM小模数齿轮的性能,已成为齿轮加工制造领域的重点关注问题。本文基于金属粉末注射成形工艺对小模数齿轮性能进行研究,针对齿轮的烧结开裂问题,粉末粒径的选取问题及烧结温度的制定问题进行系统研究,本文的主要研究内容如下: （1）针对小模数齿轮的烧结开裂问题,分析了烧结前中期齿轮微裂纹的演化过程,结果表明烧结开裂驱动力的主要来源是界面应力和热应力。分别构建了界面应力和热应力的模型,结果表明界面应力和接触界面两侧的收缩速率差异呈正比,热应力和升温速率呈正相关关系。因此采用收缩速率差距较小的316不锈钢注射坯承烧板辅助烧结,以降低界面应力;将升温速率由10℃/min降低至6℃/min,以降低热应力。实验研究表明,工艺调整后,齿轮表面光滑,表面状态良好,开裂问题得到解决。 （2）采用超细粉末烧结齿轮,研究了粉末粒径对齿轮表面状态、孔隙率、硬度及收缩率的影响,结果表明在粉末粒径为9.3μm的情况下,齿轮表面状态良好,孔隙率为0.84%,硬度为181 HV,平均收缩率与原定收缩率13%的标准差为0.0003,综合性能较为优秀。超细粉末烧结驱动力高,需要对烧结温度进行研究。基于Brook晶粒生长动力学模型,研究烧结温度对晶粒尺寸的影响。同时还研究了烧结温度对齿轮力学性能的影响,结果表明在烧结温度为1380℃的情况下,晶粒生长激活能为1304.55 k J/mol,齿轮的密度为7.7754 g/cm3,孔隙率为0.74%,硬度为193 HV,综合性能较为优秀。 （3）采用优化后的工艺参数对齿轮进行烧结实验验证,检测齿轮的表面状态、力学性能及尺寸精度。结果表明,齿轮不出现烧结开裂现象,表面状态良好;齿轮的密度为7.7883g/cm3,达到理论密度的97.6%;孔隙率为0.84%,硬度为190 HV,单齿齿抗力为237 N,力学性能表现优秀。齿轮的所检项目在GB2363-90标准下均高于7级精度,噪音低于50 d B,符合小型机器人关节机构的精度等级和噪音需求。烧结工艺优化效果较好,可以为后续小模数齿轮的MIM工艺制定提供参考。

关键词： 电机组齿轮箱   故障预警   故障诊断   支持向量机   鲸鱼算法  

摘要： 2020年我国在联合国大会上提出了力争2030年碳达峰、2060年碳中和的目标。我国的碳主要来源于化石能源的消耗过程,要实现碳达峰、碳中和的双重目标,就需要改变我国的能源结构,大力发展新能源,走绿色发展的道路。风电理论上是一种无限期且可再生的资源,绿色清洁且不会产生碳排放,并且风电场利用垂直空间建设可有效减少农田占用。风电场一般建立在风资源比较丰富的地区,但这些地区的环境比较恶劣,风电机组难免会出现各种故障。在众多故障中齿轮箱虽然出现故障的概率不高,但其出现故障后机组停机时间长且维修成本高。风电机组监测及故障预警系统可以实时监测风电机组的运行状态,通过数据分析及时发现潜在故障,进而提前采取维修措施,提升风电机组的运行效率;减少不必要的巡检和维护工作,进一步降低了运维成本,实现更高效、更安全、可持续的风电运营目标。 本文将基于风电机组监视控制与数据采集系统(Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA)的数据对机组进行状态检测、故障预警及故障诊断研究,主要从以下三方面进行。 首先,针对SCADA数据中因弃风弃电及环境因素等造成异常值的问题,本文提出了一种Box-Cox变换与拉依达准则相结合的方法进行数据异常值检测。经实际算例验证,相对于直接使用拉依达准则相比,先经Box-Cox处理后的数据再使用拉依达准则处理,在清洗效果上有了较大提升,证明Box-Cox-拉依达准则组合法进行异常值检测的优越性。 然后,提出了一种对过程记忆矩阵及相似算子进行优化的非线性状态估计法(Nonlinear State Estimate Technology,NSET),并用优化过的NSET算法建立预测模型。利用异常判定准则(Statistical Process Control,SPC)对风电机组齿轮箱进行检测且能判定齿轮箱是否发生故障。当齿轮箱的温度残差曲线达到SPC判定要求,可以得出风电机组齿轮箱发生故障。通过实际数据实验验证,该方法建立的预测模型可以实时反应齿轮箱的状态,统计过程控制异常判定准则可以判定齿轮箱是否处于故障状态。 最后,针对风电机组故障诊断依赖检修人员专业经验的局限,提出了一种用鲸鱼算法WOA(Whales Optimization Algorithm)与支持向量机(Support Vector Classification,SVM)相结合的齿轮箱故障诊断方法。该方法采用WOA算法对SVM的参数进行寻优,寻找更优解。通过实际数据实验证明,优化过的模型准确率达93.3%,相对于其他优化算法有明显优势,验证了WOA-SVM组合算法在齿轮箱故障诊断方面的可行性。

关键词： 低速重载   内啮合齿轮   齿轮修形   接触分析   齿轮缩比模型  

摘要： 由于盾构机在掘进的过程中,其主轴承内啮合齿轮易受到来自不同土壤环境的交变载荷以及来自外界的各种冲击载荷,导致齿轮易出现各种失效形式,进而影响齿轮的实际使用寿命。因此在不改变齿轮尺寸的前提下,采用齿轮修形这种经济效益高的方式来最大程度地提高齿轮的承载能力以及传动性能。本文以某6m级盾构机主轴承内啮合齿轮为研究对象,在低速重载的工况下,对其进行齿廓修形以及齿向修形的综合修形研究,研究工作如下: (1)在前人研究的基础之上建立齿轮修形的理论基础。针对低速重载的工况,考虑到对齿轮的齿根修形时会一定程度上降低齿轮齿根弯曲疲劳强度,会对齿轮实际使用寿命产生消极影响,因此确定齿廓修形量的分配方式为对小齿轮以及内齿套圈的齿顶同时进行修形,并初步确定齿廓修形的三要素。通过啮合歪斜度推算出齿轮中心轴线偏移量来模拟齿轮传动系统实际工作中出现的偏载现象,为后续接触分析奠定基础。 (2)利用软件对齿轮副进行精确的参数化建模,并对未修形时的齿轮副进行接触分析,后基于经验公式与接触分析结果确定齿廓修形量的取值范围,对多种齿廓修形方案进行精确修形设计,并确定单一最优齿廓修形方案。针对低速重载的工况对齿轮进行齿向精确修形设计,并确定单一最优齿向修形方案,将两种单一最优修形方案组合形成综合修形方案,经分析表明,综合修形方案不仅对传动误差幅值的改善效果显著,可以有效降低啮入啮出冲击,提升齿轮系统的传动平稳性,而且对齿轮偏载现象的改善效果显著。 (3)对经修正处理后的齿轮副模型进行瞬态动力学仿真分析,对修形前后齿轮副的动态性能进行分析对比。经分析表明,综合修形对齿轮系统的动态啮合应力的优化效果显著,振动加速度也有所优化。 (4)采用相似第二定理建立齿轮齿根弯曲应力的相似准则,构建齿轮的缩比模型,加工出缩比模型的齿轮试件并搭建试验台进行齿轮齿根应变试验研究。采用电阻测量法对修形前后齿轮齿根处的应变值进行测量,对测量结果进行对比分析,经分析表明,综合修形可以有效地降低齿轮齿根处的应力,提高齿轮传动系统的平稳性,进一步提升齿轮的承载性能。

关键词： 齿轮箱箱体   静动态特性分析   组合赋权法   多目标拓扑优化   尺寸优化  

摘要： 减速器在现代生产中应用广泛,其减速器箱体部分作为整个传动系统的支撑,在保障传动系统平稳高效的工作起着重要作用,但箱体设计保守造成材料浪费,此外齿轮箱所受激励复杂容易与箱体固有频率及其高阶谐波相近或者重合且箱体表面积较大,极易在齿轮箱表面产生振动、噪声。拓扑优化可重新改变材料分布,从而改变箱体固有频率和振型,防止箱体固有频率与激励频率相近或者重合,达到减小振动、噪声的作用。合理的加强筋布局亦和尺寸亦可增加箱体刚度、弥补拓扑优化结果不精确的缺点。因此,对箱体结构进行拓扑优化和尺寸优化具有十分重要的工程意义与应用价值。 本文以印刷用齿轮箱为研究对象,其对打印稳定性、寿命、刚度强度有着较高的要求,需要确保齿轮箱平稳性,保证打印质量。本文的主要研究内容包括以下几个方面: (1)对某NGWN型行星齿轮箱进行详细介绍,建立齿轮箱刚柔耦合模型和箱体有限元模型。刚柔耦合模型是第三章齿轮箱静动态特性分析的基础模型,有限元模型为第四章拓扑优化研究做好铺垫,后计算传动系统各个齿轮啮合力,得出箱体轴承座支反力,并用Romax Designer软件仿真验证。ODS分析。 (2)做齿轮箱的静动态特性分析,以刚柔耦合模型为基础模型,分别进行静态分析,模态分析和谐响应分析。依据分析结果,提出增强结构刚度、提升结构低阶固有频率、避免结构固有频率与激励频率重合或相近,得出此次多目标拓扑优化五个子目标。 (3)介绍拓扑优化技术理论基础,选用基于SIMP插值模型变密度法做多目标拓扑优化。折衷规划法结合组合赋权法综合五个子目标为一个优化目标,以箱体有限元模型为基础模型,用OC优化准则求解单元密度,借助Hyper Mesh完成多目标拓扑优化。 (4)介绍尺寸优化技术理论。根据拓扑优化、ODS分析结果和前人经验设置加强筋布局。后以加强筋尺寸为设计变量,利用Isight多目标优化平台软件集成三维软件Soild Words、前处理软件Hyper Mesh以及求解器Optistruct等模块,求解加强筋最优尺寸。最终对比分析前后箱体应力、应变,箱体动态响应值,完成箱体结构优化设计。 图[43]表[25]参[73]

关键词： 传动精度   轴线偏差   响应面模型   公差优化  

摘要： 齿轮传动具有传动比大,结构紧凑、效率高、承载能力大、传动平稳等优点,被广泛应用于各种机械设备和仪器仪表中。齿轮的传动精度是衡量一个传动系统优劣的重要特性,科技的发展对机械产品的精度提出了更高的要求。但由于变速箱箱体的加工误差及轴承装配误差等原因,齿轮轴不可避免产生轴线角度偏差,轴线偏差严重影响了齿轮的啮合特性。而通过控制公差可以约束误差的范围,从而保证一定的精度。因此,研究箱体形位公差、轴承装配公差等对齿轮轴线偏差的影响以及对传动精度的影响尤为重要。 本文主要研究齿轮箱制造与装配公差对渐开线斜齿轮传动精度的影响,建立了齿轮箱公差传递累积三维模型,得到各公差与齿轮轴线偏差的关系。进一步分别研究齿轮轴线偏差对空载与负载状态下的齿轮传动精度的影响。具体研究如下: (1)利用小位移旋量与跟踪局部坐标系,建立沿装配尺寸链的箱体形位公差、轴承装配公差累积传递模型,用不等式约束误差变动范围,利用齐次变换矩阵表达误差累积后的齿轮轴线偏差,结合蒙特卡洛法得到齿轮轴线偏差范围; (2)利用轮齿接触分析(TCA)技术对空载下斜齿轮接触状态进行分析,空载时可以忽略变形影响,将齿轮箱系统看作刚体,使用MATLAB软件进行编程计算,研究了齿轮轴线偏差对传动精度的影响。对齿轮箱制造装配公差进行敏感度分析,采用响应面法拟合传动精度对齿轮箱制造装配公差的响应模型来模拟复杂的真实响应模型。 (3)研究了渐开线斜齿轮齿面啮合时形成的接触椭圆,计算主曲率与主方向;使用ANSYS对负载状态下弹性齿轮接触状态进行仿真建模,研究了轴线偏差对齿轮传动精度的影响。采用响应面法拟合了负载下的传动精度响应模型,实现负载下齿轮系统传动精度的预测。 (4)基于上述研究,对齿轮箱在制造和装配过程中的公差进行优化。在保证传动精度不降低的前提下,提高齿轮箱制造的经济性。以齿轮箱公差特征的总加工成本为目标函数,公差取值范围和传动精度要求为约束,利用遗传算法实现了针对空载和负载工作状态下齿轮箱公差的优化设计。为齿轮箱公差的设计提供了参考。

关键词： 齿轮   齿轮样板   齿轮测量   量值传递与溯源   国际比对   虚拟测量  

摘要： 齿轮样板是齿轮参数量值的标准实物载体，用于将齿轮国家测量标准所复现的量值传递到各级齿轮测量仪器上，从而实现齿轮测量的准确性和一致性，保证齿轮产品质量。全面概述了齿轮样板起源及其发展历程；详细论述了齿轮样板的种类、结构及特点、齿轮样板的测量技术及装置、齿轮样板的国际比对、未来的发展与展望。齿轮样板迄今已历经九十多年发展，其种类在不断丰富、尺度不断延伸、复杂度不断简化，作为一种“有形”的实物量具，目前仍不可替代。未来随着“无形”的虚拟仿真测量技术发展，对“有形”实物样板的依赖将可以减弱，“无形”的技术将可能成为量值传递的新模式。