关键词： 斜齿轮   齿面形貌   分形特征   接触特性   动态特性  

摘要： 斜齿轮作为自动变速器系统的核心传动部件，它的接触性能对自动变速器的承载能力和振动噪声有着重要影响，而接触性能主要由齿面微观形貌体现，齿轮的宏观尺寸精度明显提升已遇到了瓶颈，此时微观尺寸的影响就显得尤为突出。齿轮微观尺寸对振动的影响主要体现在啮合过程中的接触特性和动态特性，因此，本文将以齿轮的齿面微观形貌为研究对象，采用分形理论对斜齿轮的接触特性和动态特性进行研究，具体研究内容如下:　　首先，通过介绍齿轮表面加工方法，分析了齿面形貌的成形方向性;分析了不同分形参数对齿面形貌特征的影响;采用双方向的W-M函数对齿面形貌进行了表征，并将表征形貌与实验形貌进行了对比分析，结果表明形貌参数综合误差在10％以内，验证了形貌表征方法的正确性。　　其次，采用圆锥微凸体代替原M-B分形接触模型中的等效微凸体;修正微凸体接触面积分布规律，使其适用于齿轮曲面接触;考虑齿轮接触过程中曲率半径的实时变化，建立时变接触刚度模型，并分析各参数对时变接触刚度的影响，与未修正模型和半经验公式进行对比，分析了修正后模型的合理性。　　再次，建立弯-扭-轴耦合振动的多自由度斜齿轮传动动力学模型，将时变接触刚度代入到时变啮合刚度模型中，替换原来的赫兹接触刚度，将表面形貌影响因素引入刚度激励;根据分形理论修正齿侧间隙和静态传递误差公式用以引入表面形貌影响因素;通过给定不同的表面粗糙度、转速和转矩分析模型在不同参数下的系统响应，结果表明表面粗糙度和转速变化是影响系统波动的主要原因，转矩变化对系统影响较小。　　最后，在齿轮传动系统动力学实验台上，进行无负载变转速、定转速变转矩和定转矩变转速等不同工况下的实验，研究了不同工况对斜齿轮传动系统三向振动加速度的影响;将考虑表面形貌的斜齿轮动力学模型所得仿真结果与实验测得振动加速度进行了对比分析，分析了误差形成原因，为模型修正提供了参考。

关键词： 齿轮   齿轮测量   齿轮测量仪器   线激光传感器   线激光测量  

摘要： 快速获取齿轮全部齿面的三维误差信息,是表征复杂齿面质量的关键和前提。本文基于激光三角测量原理,建立了齿轮线激光三维测量模型,研制出齿轮线激光三维测量仪,可用于生产现场快速获取被测齿轮的三维齿面误差信息并进行质量评定。仪器采用立式结构,主要由基座、精密主轴、圆光栅传感器、控制系统、软件系统等部分组成。精密主轴采用密珠轴系实现高精度回转,保证了被测齿轮的高精度定位与回转。在精密主轴周向布置两个高精度线激光传感器,并根据被测齿轮参数调整其位姿状态;圆光栅实时获取精密主轴的回转角度,并触发采集器实时采集并记录被测齿轮左右齿面的几何信息。开发了齿轮线激光三维测量与评价软件,可实现齿轮齿廓偏差、齿距偏差、拓扑偏差等项目的测量与评定,能够满足5级精度齿轮的检测要求。

关键词： 锆基非晶合金   非晶微小齿轮   数值模拟   力学性能   铸造成形  

摘要： 分度圆直径小于10 mm的微型齿轮机构是微型传动系统的核心部件,其齿面磨损关系着整个传动系统的性能。目前微小齿轮成型材料主要以铝、铜、钛合金等塑性高,易变形材料为主,Zr基非晶合金因其极高的强度、优秀的耐磨、耐蚀和较强的非晶成形能力被广泛用于航空航天及军工领域。本文以Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金作为微小齿轮的制备材料,探索了微小齿轮铸造成形工艺,制备出了轮廓清晰、形状完整的非晶微小齿轮,并对所制备微小齿轮进行性能检测,主要研究内容如下: 采用ProCAST软件模拟了Zr基非晶合金熔体充型过程的流场和温度场变化,得到了不同吸铸参数对微小齿轮成形质量的影响规律,提高吸铸温度和吸铸压差会使合金熔体的流动性变强,导致充型过程中流速不平稳,若冷速过快则极易导致齿顶部分充型不完整。分析温度场发现从上端气孔处到下端升液管处冷却速率逐渐变慢,取齿轮部分三点测得冷却速率均大于非晶合金临界冷却速率,表明齿轮部分可以形成非晶结构。 采用铜模铸造法制备了齿数为10,模数为0.6 mm的Zr55Cu30Al10Ni5非晶微小齿轮。实验发现较低的吸铸压差和吸铸温度可以提高微小齿轮轮齿部分的填充效果,有利于减小缺陷。确定了微小齿轮吸铸的最佳工艺参数为吸铸功率5 k W,吸铸压差为0.13 MPa。微小齿轮XRD分析表明,三种功率下的微小齿轮均为非晶结构,齿轮齿顶部分粗糙度为0.672μm,微小齿轮轮齿部平均硬度为503.6 HV0.1。 为了进一步提高非晶微小齿轮力学性能,优化了Zr55Cu30Al10Ni5合金成分,研究了Ti元素添加量（x=0,0.5,1,1.5,2,2.5）对合金热稳定性及力学性能的影响。结果表明:随着Ti元素含量的增加,非晶合金的热稳定性先增大后减小,(Zr55Cu30Al10Ni5)98Ti2非晶合金的玻璃形成能力最强,热稳定性最佳,非晶合金的力学性能呈现先增大后减小的趋势,非晶合金的塑性先增大后减小,(Zr55Cu30Al10Ni5)98Ti0.5合金强度最大,拥有最大塑性为5.02%,(Zr55Cu30Al10Ni5)98Ti2合金的平均硬度最大为533.56 HV0.1,选用(Zr55Cu30Al10Ni5)98Ti2合金进行微小齿轮铸造实验,其平均硬度为534.88 HV0.1,优于未添加Ti元素时合金的硬度(503.6 HV0.1),说明添加适量的Ti元素有利于增强微小齿轮的硬度。

关键词： Fatigue testing  

摘要： Gear fundamental data refer to the key material, structure, performance, and other indicator parameters in the process of design, manufacturing, operation, and maintenance, which is a key factor in the active design of high-performance gear transmission and is the part where the current gap in technology accumulation between domestic and foreign gears is the most significant. In response to the requirements of high-performance equipment with high reliability and long service life under extreme service conditions, the surface integrity of high-performance gears, anti-fatigue design, and manufacturing of transmission systems for domestic materials and process environments were investigated. A small-sample gear fatigue test method based on ensemble learning and data augmentation was proposed and significantly reduced the test time and sample requirements. More than 10,000 fundamental data, such as fatigue S-N curves, strength limits, scuffing limits, and surface integrity parameters for 16Cr3NiWMOVNbE, 9310, 18CrNiMo7-6, 42CrMo, and 20Cr2Ni4A materials were established, and a comprehensive high-performance gear database software including more than 500 parameters, such as materials, processes, structures, and performance, was developed, significantly improving the efficiency of gear data fundamental management. A temperature-stress-vibration signal wireless acquisition device was developed. The manufacturing processes for high surface integrity, such as carburizing and grinding, shot peening, fine particle peening, barrel finishing, ion implantation, and thermal barrier coating, were explored. As a result, the contact fatigue/bending fatigue/scuffing limits of the gears were significantly improved compared with those of the International Organization of Standardization standards, which effectively promoted the innovation of lightweight transmissions for gears and provided technical reserves for next-generation advanced equipment. © 2024 Chinese Academy of Sciences. All

关键词： 传递矩阵法   时变中心距   时变啮合力   轴裂纹   动态特性  

摘要： 齿轮-转子-轴承系统是机械系统中最重要的传动装置之一。高转速转子的运动状态,可以直接影响系统的振动和噪声等动态特性,对系统的稳定性有重要影响。因此,转子上各点的运动状态的准确分析及齿轮副时变啮合力的精确性对提高齿轮-转子-轴承传动系统稳定性具有重要影响。在以往的正齿轮系统的非线性动力学模型中,为了方便建模,在考虑轴承变形时,通常将压力角和齿轮间隙作为常数。实际上,转子在高速转动过程中会引起齿轮平移运动,进而导致一系列齿轮啮合参数的变化。因此,结合齿轮-转子-轴承系统动力学基本理论建立相对符合实际的动力学模型,在考虑时变啮合力的基础上,应用传递矩阵法探究转子裂纹对齿轮系统动态特性的影响是有必要的。鉴于此,本文根据集总质量法,基于传递矩阵建立了转子系统动力学模型,并考虑了时变压力角以及齿轮时变啮合力,耦合到转子系统的动力学模型中。建立了考虑传动误差激励的高速齿轮-转子-轴承系统动力学模型。 在本文中,针对齿轮-转子-轴承提出了一种基于龙格-库塔与有限元法的系统动态误差的计算模型,通过与有限元方法验证,确保理论的正确性;建立了将转子集总质量,基于传递矩阵法的转子系统模型;建立了考虑转子不同位置发生“呼吸式”裂纹、系统不同参数以及不同裂纹深度的动力学模型。研究内容主要包含如下几个方面: (1)针对转子模型,基于传递矩阵法将转子模型离散成不同数量的集总质量点,采用有限元分析对结果进行了验证,对比了将转子模型离散为不同点数(10,30,50,70)的计算效率,分析了离散为50个结点时的模态振型。结果表明:相较于有限元法,传递矩阵法的计算效率更高,同样条件下计算的所需的时间更短。当转子模型离散为50个结点及以上时,由于离散点数对结果的影响不再变大,结果更接近真实情况。因此考虑到结果的精确性以及计算效率的问题,本文将转子离散为50个结点。 (2)推导了考虑时变中心距,时变压力角的齿轮副系统的时变啮合力。提出在接触线长度的方向投影分析的方法,将时变啮合力投影到x、y、θ三个方向耦合到系统的动力学方程中。 (3)考虑轴裂纹“呼吸式”的特性,根据轴段刚度的动力学方程推导了发生轴裂纹时裂纹轴段的截面惯性矩,建立轴裂纹动力学模型,得到轴裂纹发生时系统的动态特性。 (4)对考虑轴裂纹的系统的动态传动误差响应进行了分析,将含轴裂纹系统的裂纹轴段的时变抗弯、抗扭刚度耦合到系统的动力学模型中,分析了转子系统由于轴裂纹引起的动态特性的变化,分析了系统在不同裂纹深度下的影响;分别从时域以及频域上分析系统的动态传动误差(DTE)的初始信号以及残差信号。频域上的结果显示,轴裂纹故障会使系统的DTE的响应在在其啮合频率以及其谐波处出现一些边频带。与DTE的初始信号相比,系统DTE的残差信号更加有利于对早期轴裂纹故障进行监测及诊断;当系统的输入转速较高时,仅仅依靠DTE在时域内的响应或许无法对系统的故障进行诊断,但是如果对DTE的频域信号做一些对数变化,此时对系统的故障进行诊断则较为容易。本文的研究结果对齿轮-转子-轴承系统的研究和轴裂纹的故障诊断具有一定的意义。

关键词： 齿轮热处理   智能化   工作岛   AGV物流系统   追溯系统  

摘要： 本文主要介绍了五菱工业底盘事业部在齿轮热处理设备自动化、信息化应用实践所取得的成果。通过热处理渗碳自动化生产线构建、热处理后工序自动化集成以及齿轮AGV物流系统、齿轮二维码追溯系统、热处理设备信息化的升级改造等项目的提升改进，齿轮热处理车间逐步迈向少无人化、信息化车间，进一步提升了生产效率和降低生产成本。

关键词： 齿轮   故障诊断   特征提取   逐次多元变分模态分解   盲解卷积  

摘要： 齿轮箱作为旋转机械传动系统的重要组成部分,直接影响整个机械系统的正常运行,因此对齿轮箱进行早期故障诊断研究具有重要意义。本文以齿轮箱中的齿轮为研究对象,致力于深入探究其故障诊断问题,在研究逐次多元变分模态分解(Successive Multivariate Variational Mode Decomposition,SMVMD)的基础上,将其分别与多点最优最小盲解卷积(Multipoint Optimal Minimum Entropy Deconvolution Adjusted,MOMEDA)、改进层次逆向散布熵(Improved Hierarchical Reverse Dispersion Entropy,IHRDE)和最小噪声幅度反褶积(Minimum Noise Amplitude Deconvolution,MNAD)等方法结合来实现齿轮箱的故障诊断。本文主要内容如下: (1)针对齿轮信号易被强噪声干扰导致损伤特征难以提取的问题,研究了一种基于自适应SMVMD和MOMEDA相结合的齿轮故障特征提取方法。首先,对SMVMD分解参数求优并进行多通道信号分解;其次,根据包络谱峰值因子(Crest Factor Of Envelope Spectrum,Ec)指标提取各通道特定分量进行信号重构;最后,采用MOMEDA解卷积处理重构信号,并包络分析解卷积信号提取齿轮故障特征频率。经仿真信号和实验信号分析发现,该方法有效解调出了齿轮故障特征信息。 (2)针对齿轮多故障特征在强噪声下难以有效提取的问题,研究了一种基于SMVMD和MNAD的齿轮多故障特征提取方法。首先,利用SMVMD分解多通道信号;之后,根据基尼系数(Gini Index,GI)提取出各通道特定分量信号进行重构;最后,采用MNAD根据多故障的故障频率分别处理重构信号,并包络分析解卷积信号提取齿轮多故障特征。 (3)针对齿轮故障类型难以有效识别的问题,研究了一种基于SMVMD与IHRDE的齿轮故障模式识别方法;首先,利用SMVMD分解后各分量的最小能量占比阈值策略确定SMVMD分解层参数设定;然后,对层次逆向散布熵进行改进提出IHRDE,将采集到的多通道振动信号输入SMVMD中进行分解,并把各通道分量按能量大小依次排序,计算各个通道模式分量的IHRDE,把各个通道对应分量的IHRDE相加得到的和作为故障量化的特征;最后,将特征向量输入支持向量机(Support Vector Machine,SVM)中进行齿轮故障模式识别。