关键词： 电动汽车   高速电机   磁齿轮   多目标优化   动力学  

摘要： 电动汽车驱动系统有着低速、大转矩的需求,传统的驱动电机和减速器构型具有结构紧凑、控制简单等优势,但同时也存在着轮内空间未得到充分利用、电机功率密度低、转矩能力不足等问题,且机械齿轮减速器摩擦损耗较大、噪声明显。高速电机大大提高了电机的功率密度,配合通过电磁力实现非接触式传动的磁性齿轮减速装置,能够有效满足电动汽车低速大转矩的动力需求,且具备效率高、机械摩擦损耗小、噪声低、有过载保护等优势,具有重要的研究意义。本文围绕车轮内电机-磁齿轮一体化电磁结构动态设计,开展了磁齿轮多目标优化方法和汽车动力传动系统的动力学特性研究。 本文首先针对某型号电动汽车进行了动力参数匹配计算,提出驱动电机和磁齿轮减速器的相关性能参数指标,并对其电磁结构参数进行设计计算,分析磁场调制原理,最终建立了高速永磁同步电机和同轴式磁场调制型磁齿轮的结构模型。采用电磁仿真对电机和磁齿轮的性能进行仿真计算,分析了其磁场分布情况和主要性能参数指标。 以提高磁齿轮的输出转矩、降低转矩脉动为目标,进行磁齿轮多目标优化方法的研究。首先分析确定了对磁齿轮性能影响较大的结构参数作为优化变量,通过灵敏度实验对其进行分级筛选,提高优化效率。通过拉丁超立方抽样和电磁有限元仿真获取一系列数据,建立起了较为准确的代理模型,并借助多目标智能优化算法对其进行优化求解,有效提升了磁齿轮的综合性能。 建立汽车动力传动系统的动力学模型,研究了磁齿轮的动力学特性和其磁耦合刚度非线性变化的问题。分析确定汽车行驶过程中受到的激励和干扰来源。通过仿真获取了电机转矩的不均匀波动和路面不平导致的随机激励输入,对动力传动系统的响应进行动力学仿真分析,并研究了调整传动系统参数对其响应的影响规律。

关键词： 轴向游隙   Ansys   动车组齿轮箱   刚度   变形  

摘要： 对于动车组齿轮箱车轴系轴承游隙，目前多数是采用轴承供应商的建议值，并结合相关经验对齿轮箱的车轴游隙进行范围取值，并未对动车组齿轮箱的特殊运用环境进行针对性研究。本文以某动车组齿轮箱为例，结合动车组低温启动工况和高温运行工况，在考虑轴承受力的情况下，建立研究模型，根据实际情况设置边界条件，采用有限元和经典计算结合的方法，对安装轴承进行低温变形、高温变形、轴向刚度等计算，并探索出其中的关系。然后结合材料的许用强度对车轴轴向游隙值进行计算和验证，并确定了合适的游隙值范围。将此游隙值的计算方法应用到动车组齿轮箱设计中，经试验和实际运用验证此设计合理。

关键词： 齿轮渐开线样板   渐开线齿廓   齿轮加工   齿轮测量   齿轮标准器  

摘要： 齿轮渐开线样板是齿轮渐开线量值溯源、量值传递与量值比对的实体标准计量器具,主要用于传递渐开线量值、标定齿轮测量仪器示值误差并修正仪器示值、保证渐开线量值国际等效。目前,国际上高精度齿轮渐开线样板齿廓形状偏差ffα=0.5μm～2.0μm（基圆半径rb=25 mm～940 mm）,而我国省部级计量机构使用的主要为2级齿轮渐开线样板(基圆半径rb=25 mm～200 mm、齿廓形状偏差ffα=1.5μm～2.0μm)。我国齿轮渐开线样板的制造水平与国际同行有一定的差距,无法满足当前高精度齿轮渐开线的计量需要。 本文面向国家对高精度齿轮渐开线计量的需求,首先对渐开线加工和测量方法进行了研究,优选出符合渐开线生成原理、易于精密制造的双滚轮-导轨式渐开线展成机构用于齿轮渐开线样板的加工和测量。为提高渐开线的展成成形精度,解决齿轮渐开线样板齿根部加工根切、齿廓偏差的精确计值与修正等难题,探究了渐开线的平面曲线展成包络成形误差分析方法,研制了齿轮渐开线样板及其研抛和测量装置,研究了齿轮渐开线样板的控形和误差补偿方法,实现了具有亚微米量级齿廓形状偏差和表面粗糙度齿轮渐开线样板的精密制造,为我国齿轮渐开线量值传递体系的健全提供了基准级渐开线实体标准器。本文的主要研究工作如下: （1）设计了齿轮渐开线样板和双滚轮-导轨式渐开线展成机构,并提出了一种渐开线的平面曲线展成包络成形误差分析方法。基于该方法研究了展成机构核心零部件形位误差:滚轮圆度误差、滚轮安装偏心和偏摆、导轨直线度误差及滚动组件运动误差、重力变形与渐开线齿廓偏差间的映射关系。基于此对关键零部件进行了精化、并提出了滚轮使用区间的选择与滚动组件安装方法以降低滚轮圆度误差和安装误差的影响;优化了齿轮渐开线样板光整加工与重复测量流程以降低轮-轨间滑移的影响,进而提高渐开线展成精度。 （2）基于误差分析方法研究了砂轮工作面形位误差与运动误差、起始展开角误差、环境温度误差引起的齿廓偏差,提出了“渐次加工”工艺以减轻齿根部的加工不完整或根切;研制了双滚轮-导轨式齿轮渐开线样板研抛装置并提出“逐域去除”工艺对齿轮渐开线样板进行在位测量和研抛加工以降低砂轮轴向窜动和磨削热、磨削力对渐开线齿廓偏差的影响,进而降低渐开线齿廓形状偏差和齿面的表面粗糙度,最终实现了计值范围内齿廓形状偏差ffα<0.5μm、齿面表面粗糙度Ra<0.05μm的齿轮渐开线样板的精密加工。 （3）研究了测点位置偏差、齿顶圆角、滚轮半径偏差引起的渐开线齿廓偏差和展开长度偏差。基于此,提出了基于齿廓偏差变化趋势的测头精密定位方法,使测点位置偏差控制在|ep|<10μm;提出了齿轮渐开线样板齿廓偏差计值与修正方法,以降低齿顶圆角、滚轮半径偏差对渐开线测量结果的影响。最终实现了齿廓形状偏差扩展不确定度U95(ffα)=0.15μm的渐开线测量。 （4）研究了齿轮渐开线样板连轴安装时齿轮渐开线样板的安装误差与渐开线齿廓偏差间的映射关系,提出了基于偏心安装的齿轮渐开线样板多齿面齿廓偏差调控方法,将齿轮渐开线样板同设计基圆参数的异侧齿面齿廓倾斜偏差的差异减小到不大于0.2μm进而给出了统一的实际基圆半径,并同步降低了各齿面齿廓偏差中的二次分量进而降低了齿廓形状偏差,在不提高渐开线加工精度的前提下提高齿轮渐开线样板的使用精度。 （5）为保证所研制齿轮渐开线样板量值的准确性和可靠性,与中国计量科学研究院等计量机构对本文设计制造的一件具有三种基圆参数的新型齿轮渐开线样板进行了量值比对,齿轮渐开线样板的四个齿面的齿廓形状偏差参考值ffα=0.27μm～0.43μm、齿廓形状偏差参考值扩展不确定度U95(ffα)=0.53μm,满足国家标准《齿轮渐开线样板（GB/T6467-2010）》对1级（最高精度等级）齿轮渐开线样板的要求。测量结果与参考值的偏差均在测量不确定度半宽内、测量结果归一化偏差E_n<0.1,同时验证了本文所研制的双滚轮-导轨式齿轮渐开线样板测量装置的精度。 本文研制的齿轮渐开线样板已在中国计量科学研究院等计量机构得到应用。

关键词： 齿轮传动   啮合刚度   动力学模型   动态响应   联合优化  

摘要： 齿轮传动系统作为一种动力传动元件,目前广泛应用于汽车、航空航天、风力发电等诸多领域中。基于现代机械设备对齿轮传动所提出的高要求,越来越多的学者更加关注齿轮传动的动力学分析。然而,行星齿轮系统的使役工况复杂多变,在运行过程中不可避免地会受到齿轮啮合刚度、各类制造误差、齿侧间隙等内部激励引起的冲击作用的影响,产生系统的振动和噪声,以致齿轮传动系统振动问题凸显。因此,准确计算出齿轮系统各内部激励,并清楚揭示系统各激励与振动反馈之间的关系,对于提升齿轮系统的设计与分析能力、确保装备运行的稳定性和高效品质,具有极其重要的意义。 本文以行星齿轮传动系统为研究对象,开展了齿轮啮入冲击机理与时变啮合刚度的研究,并提出了一种考虑负载条件下时变啮合刚度的修正算法。分析了负载、冲击及轮齿修形对时变啮合刚度的影响;随后,建立了一个包含冲击效应的行星齿轮传动系统扭转动力学模型,进而分析了其动态响应的特点。最后,采用了一种联合考虑质量、传动误差及振动因素的多目标优化设计方法,对行星齿轮传动系统进行了联合优化设计。论文的主要研究内容如下: (1)建立受载变形下的渐开线齿轮啮入冲击数学模型,计算齿轮系统啮入冲击力,根据运动几何法计算啮入冲击时间;同时,结合材料力学与理论力学,建立悬臂梁刚度计算模型,基于Weber能量法与势能法,计算齿轮轴向压缩、弯曲、剪切与接触变形,进而计算不同齿轮副的时变啮合刚度。 (2)针对目前载荷与接触变形之间为线性关系,并不能表征轮齿接触界面受载压平而导致的接触变形非线性增大效应的问题;提出了考虑负载条件下时变啮合刚度修正算法,建立了啮入冲击-刚度耦合作用激励模型,推导出任意齿轮副在不同工况下冲击诱发的刚度变化解析式,阐明了不同负载条件下冲击激励对刚度的作用影响。而后,研究了轮齿修形对时变啮合刚度的影响变化规律,为后续考虑冲击的齿轮系统动力学响应精准分析提供基础。 (3)基于集中质量法,考虑内部激励,包括冲击、刚度和误差激励,建立行星齿轮传动系统的扭转振动非线性动力学模型,将动力学模型无量纲化,运用RungeKutta法对其振动微分方程进行求解,探究间隙、冲击与轮齿修形对行星齿轮传动系统动态响应的影响规律。 (4)为提高行星齿轮传动系统的性能,建立联合数学优化模型,以传动误差、传动总质量和振动水平作为评价标准。将修形量、模数、齿数、变位系数等因素作为可调整的设计变量,同时考虑传动比和中心距等作为优化过程的限制因素,从而实现对行星齿轮传动系统性能的综合优化。

关键词： 齿轮箱   流场仿真   数值模拟   CFD   润滑性能  

摘要： 随着我国轨道交通工业向高速度和重负载的方向发展,对轨道交通齿轮箱的承载能力和传动效率提出了更加严格的标准,而轨道交通齿轮箱的润滑性能影响着其承载能力和传动效率。因此,对轨道交通齿轮箱的润滑性能进行研究有着非常重要的现实意义。 轨道交通车辆在运行时会经历低、中、高三种不同的速度状态。在低速运行状态下,齿轮飞溅润滑效果较差,导致轴承润滑不足。而在高速运行状态下,齿轮飞溅润滑效果较好,过量的润滑油会导致轴承搅油力矩的增加。在这些状态下,齿轮箱箱体内润滑状态复杂,不明确其分布规律,影响了箱体内部导油装置的设计和布置。因此,对齿轮箱内部流场的分析是必不可少的。 为此,本文基于计算流体力学理论,采用Star-CCM+三维流场分析软件,建立了轨道交通地铁车辆的齿轮箱流场仿真模型。利用此模型,首先探讨了转速、润滑油粘度、浸油深度以及旋转方向对箱体内的润滑油分布以及轴承稳态供油量的影响;其次,对轴承进行润滑仿真分析,探讨了不同参数下轴承内部流场的影响规律;最后,对不同齿轮转速下轴承的润滑性能进行评估,针对轴承的润滑性能,提出了优化导油槽角度和优化导油管孔径两种设计方案。分析结果表明: (1)低速阶段时,飞溅润滑效果不好,大部分润滑油停留在油箱底部,轴承导油槽内的润滑油量较少,低速阶段未能形成良好的润滑;随着转速的提高,到达中速阶段时,箱体内飞溅润滑效果明显变好,箱体底部的润滑油被充分搅起,轴承导油槽内的润滑油量也充足,箱体内形成较好的润滑;当齿轮转速到达高速阶段,飞溅润滑效果进一步提升,油箱底部的润滑油几乎被全部搅起,箱体内形成很好的润滑。 (2)随着转速的升高,各轴承稳态供油量先增大后趋于稳定。在特定工况下,轴承A的稳定供油量为0.7 L/min,轴承B的稳定供油量为1L/min,轴承C的稳定供油量为1.5 L/min,轴承D的稳定供油量为1.25L/min;随着润滑油粘度的升高,各轴承稳态供油量均减小;随着浸油深度的增大,各轴承稳态供油量均增大。 (3)齿轮正转时,箱体内的润滑油分布均匀。齿轮反转时,箱体内的润滑油集中分布在啮合区域附近。正反转的稳态供油量大小不一,正转的稳态供油量大于反转。 (4)相同供油量下,轴承流体域中的平均油体积分数随着转速升高而降低,当转速从404 rpm提高到3636 rpm时,平均油体积分数从0.08934下降到0.00879;低速时,轴承腔体内的油体积分数数值波动范围较大,油液分布不均。而中高速时,轴承腔体内的油体积分数相对稳定,油液分布相对均匀;相同转速下,随着供油量的增大,轴承流体域中的平均油体积分数增大,当供油量从3 L/min提高到6 L/min时,平均油体积分数从0.00882提高到0.02561,同时轴承腔体内方位角上的油体积分数也增大。在三种不同的供油量条件下,轴承腔体内方位角上的油体积分数大体呈现相同的趋势。 (5)增大导油槽角度和增大导油管孔径可以提高轴承的稳态供油量,提升轴承的润滑性能。 本论文仿真分析结果为解决实际中齿轮传动润滑流场分析提供参考,同时对齿轮箱结构设计、润滑系统的优化提供帮助。

关键词： 直齿轮   滚齿加工   表面喷丸   表面粗糙度   表面硬度  

摘要： 齿轮传动过程中齿轮表面质量直接影响着齿轮的传动精度，传动精度好坏直接影响齿轮的疲劳寿命。20CrMnTi钢作为直齿轮的常用加工材料，具有较高的冲击载荷和良好的耐磨性，直齿轮的滚齿加工工艺和后续的喷丸工艺会使直齿轮的表面质量产生变化，因此研究直齿轮表面质量有着重要意义。针对以上问题，本文采用试验和有限元仿真相结合的方式对滚齿加工工艺和喷丸工艺研究，主要研究内容如下:　　首先，通过直齿轮滚齿加工试验，采用万用表、钳形电流表对滚齿加工功率进行测量，探讨不同加工参数下加工功率的变化规律;利用表面轮廓仪测量齿轮表面粗糙度，使用超景深显微镜对齿轮表面三维形貌进行观测，分析不同切削参数对齿轮表面粗糙度的影响;采用显微硬度计对齿轮表面硬度进行测量，对不同切削参数对齿轮表面硬度影响进行分析。　　其次，根据滚齿加工过程中刀具和工件运动关系，在CREO中进行滚刀和齿坯三维模型的建立，对齿轮滚刀和待加工齿坯进行合理简化。通过DEFORM进行滚齿切削仿真模拟，分析滚齿加工中切屑生成过程，探讨不同切削参数条件下主切削力和等效应力的变化规律;结合滚齿加工试验，探讨不同切削参数对表面粗糙度的影响。　　然后，通过有限元软件ABAQUS进行单弹丸喷丸仿真模拟，对喷丸过程和能量变化进行观察分析，从而研究不同喷丸参数下弹坑的变化规律;结合有限元软件ABAQUS和PYTHON二次开发建立符合实际喷丸的一次喷丸模型和二次喷丸模型，并确定覆盖率和表面粗糙度的计算方法，编写程序以提取随机喷丸后处理中残余应力和等效塑性应变，为后续随机喷丸提供数值计算方法与数值提取方法。　　最后，通过ABAQUS对齿轮钢进行随机喷丸仿真模拟，探讨不同一次喷丸速度、喷丸覆盖率、弹丸直径对残余应力和等效塑性应变沿深度方向的分布和表面粗糙度的变化规律;探讨不同二次喷丸速度对残余应力沿深度方向的分布和表面粗糙度的变化规律;通过喷丸实验对一次喷丸条件下不同速度对表面粗糙度的影响进行验证，验证仿真模型的准确性，为实际喷丸参数的选取提供理论参考依据。