关键词： 双离合   行星齿轮减速器   Romax Designer仿真分析   齿轮修形优化  

摘要： 行星齿轮减速器是一种精密的传动装置,具有传动比大、使用寿命长、传动平稳等优点,在机械制造装备、汽车、船舶、冶金、化工以及风能发电等多个领域中被广泛应用。但目前市面上行星齿轮减速器大多是单速输出,其在传动性能、应用范围和生产效率等方面对动力源存在一定的局限性。因此,提高行星齿轮减速器的传动性能、使用寿命和扩大应用范围具有重要的研究意义。 针对以上问题,本文设计了一种应用于数控机床的双离合行星齿轮减速器。它在传统行星齿轮减速器理论分析的基础上进行了创新性结构设计,采用了双离合器实现了双速输出。首先在Solidworks软件中建立了该减速器模型,利用Romax Designer软件中的CAD Fusion模块将箱体导入,同时在该软件中对轴、轴承和齿轮进行了静力学分析,所得结果均满足设计要求。 其次对整个双离合行星齿轮减速器进行了动力学特性分析,研究了该减速器的固有特性,通过ANSYS软件对该减速器的行星架和箱体进行了约束模态分析,判断该减速器是否发生共振;同时查看了箱体表面振动加速度和线性模态柔度峰值的频率点,并对轴承进行了动态响应分析,得出在1432Hz处振动加速度与变形量最大。针对以上问题,采用了微观修形方法,提高了齿轮的传动平稳性和使用寿命,降低了振动与噪声。 然后根据齿轮的齿廓修形与齿向修形原理,采用手动修形方法对太阳轮和齿圈进行了优化,优化后发现太阳轮和齿圈的啮合传动误差分别下降了71.2%和18.8%,但太阳轮单位长度载荷值却有了一定程度的升高,齿圈的偏载现象没有得到改善。因此采用遗传算法对太阳轮和齿圈进行微观参数多目标综合修形。修形优化后得到齿轮最优参数,对比优化前后各项仿真结果发现:太阳轮和齿圈的啮合传动误差分别下降了85.86%和89.6%,从而改善了齿轮的啮合特性,降低了减速器的振动与噪声;太阳轮和齿圈的单位载荷分别下降了10.95%和46.67%,而接触应力也分别下降了1.53%和34.21%,改善了齿面偏载问题;与此同时箱体表面的振动加速度峰值与减速器在Y方向上的偏移量分别下降了30.99%和76.6%,提高了传动系统的平稳性。 最后对双离合行星齿轮减速器进行了实体加工与装配,按照该减速器实际工况进行了试验。通过试验检测结果与仿真分析结论对比可得:该减速器样机传动比保持在5.06左右,传动效率达到85.0%左右;实测振动加速度最大值与仿真优化后的峰值基本对应,振动加速度突变频率与仿真振动加速度峰值频率的位置基本一致;啮合斑主要集中在齿面中部,分布均匀,传动更加平稳;箱体温升试验误差在合理的允许范围内,满足减速器的设计要求。

关键词： 大方坯   裂纹   非稳态模拟   温度场   应力场   圆角半径  

摘要： 20CrNiMoA齿轮钢常被用于耐磨损零件的制造,在汽车、铁道、船舶和机械制造等工业领域有着广泛应用。连铸是齿轮钢生产线上的重要环节,能够将液态钢水凝固成铸坯,在连铸过程中,伴随着铸坯温度下降,铸坯温度场与应力场急剧变化,而温度场与应力场的不均匀变化与裂纹的产生密切相关。 本文选取了江苏某钢厂生产的20CrNiMoA大方坯作为研究对象,首先对铸坯裂纹形貌进行了深入分析。然后,结合有限元模拟和物理实验,系统研究了连铸过程中温度场和应力场的变化规律。研究旨在提高铸坯表面质量、优化生产工艺提供理论支持。本文的主要研究内容包括: (1)对连铸坯表面裂纹进行金相观察,发现连铸坯角部存在横裂纹。通过检测裂纹内元素成分,确定20CrNiMoA钢连铸坯表面裂纹产生区域。 (2)基于高温拉伸实验与断口形貌确定了第三脆性区间与断裂机理,明确材料在高温下的力学性能变化规律,为后续模拟提供计算基础数据,同时为分析铸坯热裂倾向提供依据。 (3)构建铸坯连铸过程的仿真模型,通过改变拉速、过热度、冷却强度和结晶器圆角半径对铸坯的温度场和应力场进行模拟分析,研究铸坯温度场与应力场的演变规律,明确铸坯高温应力应变的分布与大小及铸坯出现裂纹缺陷与工艺参数的关系。 (4)根据仿真结果,分析现行水量的合理性,结合温度场与应力场变化规律提出表面裂纹控制的优化方案。使方坯具有良好的表面质量,实现综合调控的工艺参数优化。

关键词： 拓扑指数   PI指数   齿轮图   一致膨胀图   广义齿轮图  

摘要： 拓扑指数是分子结构数值化的一种方式,也就是从分子图到实数集的一个映射。对于任一拓扑指数,同构的图之间具有相同的数值,因此,它是图的不变量。PI指数是一种能够用来反映有机分子特定结构特征的拓扑指数,被广泛应用于预测化合物的物理化学性质及生物活性中。本文围绕齿轮图对PI指数进行了研究,主要结果如下: 第一章探讨了PI指数的研究背景与其深远的意义,详细介绍了一系列本文所需的关键概念与定义,还概述了PI指数的研究现状和本文所得出的主要结论。 第二章根据PI指数的定义得出齿轮图的PI指数计算公式,并利用图的对称性,计算出齿轮图的一致膨胀图的PI指数。 第三章根据广义齿轮图的性质,将广义齿轮图的边进行分类,找到对计算广义齿轮图的PI指数没有贡献的边,从而计算出广义齿轮图的PI指数。

关键词： 塑性成形   新滚轧工艺   转速匹配模型   成形缺陷   金属流线演变规律  

摘要： 螺旋锥齿轮具有重叠系数大、承载能力强、传动效率高、传动平稳、噪声小等优点,被广泛应用于汽车、航空、矿山等机械传动领域。目前常用的螺旋锥齿轮加工方式主要是切削加工,但破坏金属流线的完整性,材料利用率低。螺旋锥齿轮滚轧成形工艺具有材料利用率高、生产效率高、力学性能好等优点,且克服了螺旋锥齿轮在锻造过程中变形抗力大、齿轮边角部位难以填充饱满,模具易损坏等缺点。但目前螺旋锥齿轮滚轧成形工艺因强制分齿使得在滚轧过程中成形轮和模具轮的转速不匹配导致错齿,进而产生齿面折叠、突耳缺陷等问题,这些问题的产生是由于在滚轧过程中模具轮和成形轮的节距无法正确匹配造成,本文主要研究螺旋锥齿轮滚轧过程中如何保证节距任意时刻转动弧长相等,研究内容主要包括: (1)针对螺旋锥齿轮滚轧过程中错齿问题,以成形轮大端位置为初始滚轧起点,研究发生错齿的原因。滚轧成形属于范成运动,由于模具轮和成形轮转动相同齿数之间的转动角度不匹配造成了错齿,即转动总弧长不相等。基于在滚轧过程中随着进给深度的变化,本文提出了保持成形轮和模具轮转动弧长相等的螺旋锥齿轮滚轧成形的新工艺构想,并建立了相应的分齿均匀性理论模型,实现了在滚轧过程中正确分齿。 (2)针对螺旋锥齿轮滚轧成形新工艺是否具有可行性问题,采用Deform软件进行了数值模拟,并与单模具滚轧进行对比。实验结果表明,本文提出的螺旋锥齿轮的滚轧新工艺具有可行性,齿面折叠缺陷减少了约95%,扭矩减少了约75%,圆周力减少了约50%,轴向力减少了约75%,成形轮在滚轧过程中端部体积损失减少了约5.13%,明显优于单模具的滚轧工艺。 (3)对螺旋锥齿轮滚轧成形工艺参数对成形质量影响,提出了单因素法,建立了突耳缺陷的评价指标,对齿槽加深、齿顶圆角、摩擦因子、成形温度、成形轮转速、不同阶段的进给量等参数进行了优化。经过数值模拟实验表明,得到不同工艺参数对突耳缺陷的影响规律,并选取不同的单因素最优工艺参数值进行滚轧模拟。模拟结果表明,滚轧成形齿面光滑程度得到较好的控制,齿面折叠缺陷几乎忽略不计,突耳缺陷得到了有效抑制。 (4)对滚轧过程中金属流线如何随着滚轧过程而变化的问题,通过逐步分析了螺旋锥齿轮滚轧过程中金属流线演变特征,发现了螺旋锥齿轮滚轧过程中金属流线演变规律和成形力之间关系,并揭示了齿面折叠的表面特征。

关键词： 传动齿轮   相关性分析   失效共存   竞争失效   可靠性分析  

摘要： 传动齿轮在现代工业设备中得到了广泛应用,其运行的稳定性和高可靠性是保障设备性能的关键。然而,由于服役环境的复杂性与随机性,以及齿轮传动自身的特性,齿轮的失效行为往往受到多种因素的综合影响,包括性能退化、随机冲击以及多变量之间的相关性。因此,深入研究传动齿轮可靠性模型中多相关性时变耦合作用的影响,揭示退化失效与突发失效之间的竞争失效规律,对于提升传动齿轮的可靠性分析精度与优化设计水平具有重要的理论意义和工程价值。本文主要研究内容包括以下几个方面: (1)结合相关系数和Copula函数,量化随机变量相关性及失效行为相关性对传动齿轮可靠性的影响。利用Gamma随机过程表征齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度的退化趋势,然后基于强度准则分别针对两类失效行为构建其结构功能函数,利用相关系数表征功能函数中随机变量的相关性。通过Taylor级数展开得到功能函数的四阶矩,并基于最大熵原理推导功能函数的概率密度函数,构建边缘分布函数。在此基础上,利用Copula函数构建联合分布模型,从而建立考虑随机变量相关性和失效行为相关性的可靠度模型。 (2)综合考虑应力-强度的交互作用、失效行为的多模式特征以及部件间的相关性,利用时变混合Copula函数,研究传动齿轮多相关性的时变耦合特性。引入强度退化以及应力-强度相关性的时变特征,基于时变Copula函数构建可靠度模型,计算单一失效模式下的时变可靠度。进一步构建时变混合Copula函数模型,量化多种失效模式及多部件间的时变相关特征,分析多相关性时变耦合特性对传动齿轮可靠度的影响。此外,提出一种变异自适应麻雀搜索算法,提高时变混合Copula函数中未知参数求解的效率和准确性。该研究将多相关性时变耦合特征纳入可靠度的求解过程中,揭示了相关性随时间的变化规律,提高可靠性分析结果的准确性。 (3)构建齿廓磨损与齿根裂纹两种失效模式共存作用下的分析模型,研究传动齿轮动态特性并量化其内部冲击。基于势能法计算正常齿轮的时变啮合刚度,并分析齿根裂纹、齿廓磨损以及失效共存效应的影响。采用集中质量法建立传动齿轮动力学模型,并通过Runge-Kutta法求解其振动位移响应。结合时域、频域、相位图以及庞加莱界面图,评估裂纹、磨损以及共存效应对齿轮动态特性的影响。通过试验测试验证了模型的正确性与适用性,并提取不同特征值,分析各失效情况对传动齿轮内部冲击的影响。该研究所提出的分析方法和试验数据为传动齿轮相关竞争失效模型的构建提供了理论依据与数据支撑。 (4)提出一种考虑内/外冲击影响的相关竞争失效可靠性分析方法,旨在揭示传动齿轮相关竞争失效的时变规律及其对可靠性的影响。通过融合极值冲击模型和累积冲击模型,构建极值-累积冲击模型,用以定量评估内/外冲击过程及其相关特征对可靠性以及退化过程的影响。基于不发生软失效和不发生硬失效的概率模型,建立传动齿轮相关竞争失效可靠度模型。在单一软失效临界阈值下进行可靠性分析,探讨硬失效与软失效之间的交互关系,进而推导多个失效阶段下的可靠性分析模型。最终通过模型验证,评估了齿轮在相关竞争失效条件下的时变动态可靠性。该研究系统量化了内/外部冲击对相关竞争失效可靠性的影响,全面评估了冲击与退化过程的竞争关系,为传动齿轮的竞争失效建模提供了新的思路与方法。

关键词： 行星齿轮系统   非线性动力学   热变形   润滑油膜  

摘要： 温度升高会导致行星齿轮系统产生热变形，热变形会导致啮合轮齿间的齿侧间隙发生变化，在载荷作用下热变形还会引起热变形刚度;当考虑齿轮润滑时，温度升高还会影响润滑油膜的压力与厚度，同样对齿轮啮合刚度以及啮合阻尼等产生影响。时变啮合刚度以及间隙函数都是造成行星齿轮系统非线性的主要原因，对行星齿轮系统的非线性特性有着重要的影响。行星齿轮系统的温度会随工况条件发生变化，而以往研究中未见有将不同工况条件下动态的温度场与温度对行星齿轮系统的影响因素进行综合考虑，进而对行星齿轮系统非线性动力学特性所进行的研究，针对这点，本文以温度对行星齿轮系统的影响机理出发，对考虑温度因素的行星齿轮系统非线性动力学特性进行深入研究。本文所做主要工作如下。　　（1）建立包含热变形、热变形刚度、热弹流油膜刚度以及热弹流啮合阻尼的行星齿轮非线性动力学模型。　　（2）建立了行星齿轮传动系统稳态温度场模型，并通过AnsysWorkbench平台，针对定扭矩、变转速与定转速、变扭矩两种工况条件下的行星齿轮温度场进行仿真计算，得出了稳态温度场随工况参数的变化规律。　　（3）根据热传导与热变形原理，建立了内啮合齿轮热变形计算模型，结合温度场数据对行星齿轮内、外啮合副的间隙改变量、热变形刚度进行计算。　　（4）通过行星齿轮系统的分岔图、最大李雅普诺夫指数、庞加莱截面、相图以及时程曲线，分析了热变形对行星齿轮系统非线性动力学特性的影响。　　（5）将稳态温度场以及热变形数据作为初始参数引入热弹流润滑计算，将热弹流油膜刚度、油膜阻尼分别与热变形刚度以及啮合刚度、啮合阻尼引入行星齿轮非线性动力学模型，采用不同的分岔参数，对系统非线性动力学特性进行了研究。