关键词： 齿轮渐开线样板   公法线   表面粗糙度   齿廓精度   抛光工艺  

摘要： 1级齿轮渐开线样板是渐开线计量领域中等级最高的实体标准器件,它的成功研制不仅能完善我国齿轮量值传递体系,还能提高我国齿轮及相关行业的整体制造质量。大连理工大学高精度齿轮室依据渐开线的生成原理,发明了一种双滚轮—双导轨机械展成式齿轮渐开线样板磨削装置,样板经研磨后,齿廓精度能稳定达到齿轮渐开线样板国家标准中的1级精度要求,但表面粗糙度并不能保证稳定达到1级精度要求。较大的齿面粗糙度会导致齿轮渐开线样板齿廓偏差的测量不确定度增加,影响齿轮渐开线样板的使用性能,所以在保证齿廓精度的前提下降低齿轮渐开线样板的粗糙度是本论文的主要研究任务。 首先,针对研磨1级齿轮渐开线样板后存在齿面粗糙度较大的问题,根据公法线的性质,提出一种新的具有等公法线约束的齿面研抛方法,并利用Matlab建立等公法线约束下的抛光机理模型,通过实例数据仿真探究研抛后的齿廓形状偏差和齿廓倾斜偏差的变化规律,验证该方法的可行性。接着,基于等公法线约束原理开发出了一种等公法线齿轮渐开线样板的精密抛光装置,该装置主要包括:高精度密珠轴系、直线运动模组、高精度安装滑板、抛光块、大理石底座与防尘散热罩等。然后,对等公法线齿轮渐开线样板精密抛光装置的关键零部件进行精化以及安装调试,具体包括固定轴基准轴段的圆柱度、轴线相对于固定轴安装面的垂直度、固定轴安装面和样板轴向定位面的平行度以及滑板安装面和抛光块定位面的平行度、抛光块安装面和工作面的垂直度等形位公差均达到1μm左右。再通过系统、全面地分析各种工艺参数对抛光工艺的影响,设计正交实验,通过方差分析法精确地判断出各个因素对齿轮渐开线样板抛光后齿面粗糙度影响的主次,从而得出较优工艺参数组合,将样板的齿面粗糙度Ra从0.15μm左右降低到0.04μm左右。最后,通过实验结果分析等公法线约束对齿轮渐开线样板抛光前后齿廓形状偏差的影响,在左右齿面齿廓形状偏差相差1.14倍条件下,左齿面齿廓形状偏差减小率约为14%,右齿面的齿廓形状偏差减小率约为20%,验证等公法线约束对样板左右齿面的齿廓精度具有改善作用。 本文提出的一种新的具有等公法线约束的齿面研抛方法,并基于此方法开发出的一种等公法线齿轮渐开线样板的精密抛光装置,在降低齿轮渐开线样板的齿面粗糙度使其稳定达到国标中的1级精度要求的同时,还能进一步提高齿轮渐开线样板的齿廓精度,这对研制高精度等级的齿轮渐开线样板具有重要的研究意义。

关键词： 线齿轮   加工精度检测   检测方法   加工误差  

摘要： 作为新型齿轮,线齿轮通过点啮合传递运动和动力,具有设计灵活、最小齿数可为1等特点,可以应用于复杂空间内的运动传递、微小尺度等应用场景。目前,关于线齿轮设计理论和加工方法的研究逐步完善,完成了多种类型线齿轮设计,并开展了快速成型法、机加工法、激光加工法和冷搓成型等线齿轮加工技术的研究,可是关于线齿轮加工精度检测的研究尚未成熟。对于新型齿轮,缺乏相关的检测研究意味着缺乏可靠的精度保证体系,这也是限制其广泛应用的关键因素。因此,本文在线齿轮啮合理论和加工制造方法的基础上,首次提出了适用于各类线齿轮的检测方法,研究了线齿轮加工精度检测项目、精度等级定义方法以及适用于线齿轮的快速检测理论,搭建了线齿轮专用检测装置,并对线齿轮样件加工精度进行检测研究。本文的研究内容主要包括以下三个方面:(1)线齿轮检测项目确定、精度等级定义及检测方法研究。基于线齿轮设计方法与制造过程,确定了影响线齿轮精度的关键参数,并定义了五个线齿轮精度检测项目。此外,提出了线齿轮的当量参数,并规定了线齿轮精度等级确定的方法。最后,基于接触式检测原理、齿轮检测标准及检测方法,结合线齿轮传动特性,提出了一种适用于线齿轮的快速检测方法。(2)线齿轮检测装置研发。根据线齿轮的传动特性、检测项目及检测方法,确定线齿轮检测采用接触式测量方法和展成测量原理。在课题组前期设计开发的圆柱线齿轮检测装置的基础上,针对其存在的不足,设计研发了一种适用性更广的线齿轮检测装置,并对装置机械结构、运动系统以及关键零部件进行设计及选型,完成检测实验台的搭建,随后,完成检测装置控制系统的布局和建立,并基于Lab VIEW软件实现检测装置的运动控制以及完成各项检测的运动路径程序编写。(3)线齿轮加工精度检测试验。首先,根据线齿轮设计加工方法,完成了四个不同设计参数的样件的加工,并通过加工仿真确定设计理论和加工结果的一致性。其次,对线齿轮检测装置关键部位进行精度检定,对检测装置进行初始化调节,并建立了测量坐标系。随后,对四个线齿轮样件进行齿距偏差、齿厚偏差、径向跳动、齿面误差和接触线偏差的精度检测实验,根据线齿轮的当量参数确定四个样件的精度等级。最后,对检测结果进行讨论,并对其加工过程中的误差来源以及数控加工精度提高的方法进行分析。

关键词： 非圆面齿轮   限滑差速器   优化设计   车辆脱困工况   扭转振动模型   弹性转角分离法  

摘要： 非圆面齿轮差速器是一种新型变传动比限滑差速器，具有结构简单、可靠性高、限滑性能良好的优点，在汽车领域具有广阔前景。但是非圆面齿轮差速器在限滑过程中的动力学研究和性能评估方法尚缺少理论支撑，限制了非圆面齿轮差速器的发展。为此，针对限滑脱困过程，提出了非圆面齿轮差速器扭振分析方法，为非圆面齿轮差速器的动态设计与优化奠定理论基础。　　首先阐述了非圆面齿轮副传动原理和非圆面齿轮差速器构型，分析了其在不同路面上的工作状态，探讨了静态/动态限滑原理，发现差速器动态限滑对车辆脱困有重要作用，增加输入转速和偏心率也能大幅提高限滑性能。　　然后基于弹性转角分离法建立了考虑多种内部激励的轮齿啮合过程等效力学模型，对在脱困工况下的齿轮系工作状态进行了数学描述，建立了扭转振动模型和运动学模型，为研究差速器限滑过程中的振动规律提供理论基础。　　之后采用Runge-Kutta法进行数值仿真，分析了偏心率、输入转速、附着条件和啮合误差四个参数对差速器振动和性能的影响规律。仿真表明，增大非圆面齿轮偏心率可以提高脱困性能但会导致振动增强，应合理选取;增大输入转速可以提高限滑性能，但转速接近超谐共振频率时，振动强度会显著提高;改善打滑侧车轮的附着条件可以有效帮助车辆脱困，但振动也随之增大;啮合误差增大会加剧振动且对提高限滑性能无积极作用，应当尽量减小。　　最后搭建非圆面齿轮差速器限滑工况振动测试台，通过控制变量法试验了输入转速和附着条件对于振动状态的影响，仿真和实验的频域曲线在频率成分及变化规律上基本吻合，验证了非圆面齿轮差速器动态分析方法的正确性。

关键词： 重载机车齿轮箱   压力场   断裂力学   齿根裂纹   应力强度因子   裂纹扩展速率  

摘要： 针对采用飞溅润滑的某HX型电力机车齿轮箱,机车运行时齿轮箱内部与外界形成压差可能导致润滑油泄露或外界粉尘、水滴进入箱体内,影响润滑效果和齿轮传动系统油润滑部件的寿命。同时,当齿轮齿根存在裂纹时,润滑油会渗入裂纹内对齿轮齿根裂纹的扩展起到加速作用。目前针对齿轮箱内部压力场的仿真分析主要采用有限体积法,齿轮副不能完全啮合以及没有考虑通气孔处的密封结构,与实际情况有所差异,也缺乏考虑润滑油对齿轮齿根裂纹扩展特性影响的相关研究。因此,开展重载机车齿轮箱内部压力场特性和润滑油作用下机车齿轮齿根裂纹扩展特性的研究工作,对保障列车运行安全具有重要的理论意义和工程应用价值。 本文基于计算流体动力学和格子玻尔兹曼方法,建立了齿轮箱内部流场的仿真计算模型,并通过试验数据验证了仿真模型的正确性,研究了不同服役条件对齿轮箱内部压力场的影响。同时,建立了机车齿轮有限元模型,通过ABAQUS和FRANC3D联合仿真分析了不同服役条件和初始裂纹参数下齿轮齿根裂纹前缘应力强度因子。在此基础上,研究了齿轮齿根端部润滑油压力的变化规律以及润滑油压力对初始裂纹前缘应力强度因子的影响,揭示了不同服役条件对裂纹扩展速率以及裂纹扩展路径的影响规律。主要工作和结论如下: 首先,建立了考虑通气孔处密封结构的齿轮箱内部流场计算模型,研究了不同浸油深度、润滑油温度（动力黏度）、齿轮转速和齿轮转向下齿轮箱内部压力场的动态变化规律。研究结果表明:齿轮转速和齿轮转向对齿轮箱内部压力场影响较大,所有监测点处的压差均值或压力均值的绝对值与齿轮转速呈正相关且非线性变化;齿轮转向会改变齿轮啮合区上侧和下侧两点的压差,其压差在齿轮正转时更大,齿轮转向对其他监测点的压力影响也较大;从动齿轮浸油深度和润滑油温度对齿轮箱内部压力场影响较小;通气孔处在所有仿真工况下均为负压。 其次,建立了机车齿轮有限元模型,分析了无裂纹齿轮在运行载荷工况下的齿根应力并确定裂纹萌生位置,研究了考虑轨道随机不平顺和齿轮动态啮合激励下齿轮动态啮合力、裂纹形状、裂纹初始角度、载荷大小、裂纹大小和裂纹初始位置对初始裂纹前缘应力强度因子的影响规律。研究结果表明:考虑机车内外激励的齿轮动态啮合力作用下裂纹前缘应力强度因子KⅠ比不考虑时更大,将会加快齿轮齿根裂纹的扩展;裂纹初始角度和初始位置对裂纹前缘应力强度因子影响较大,当裂纹初始角度为60°时,应力强度因子KⅠ远大于应力强度因子KⅡ和KⅢ,裂纹主要表现为张开型裂纹,应力强度因子KⅠ呈两端大中间小的对称分布规律,当裂纹初始角度远离60°以及当位于主动齿轮上的初始裂纹沿齿宽方向远离啮合齿面时,此时KⅡ和KⅢ的值都不容忽视;不同载荷大小和裂纹大小下KⅠ远大于KⅡ和KⅢ,其值随载荷的增大而增大,随裂纹的增大而增大;不同裂纹形状下当裂纹短轴和长轴的比例不同时,占主导的应力强度因子KⅠ沿裂纹前缘的分布规律也不同。 最后,分析了从动齿轮齿根端部润滑油压力的变化规律以及润滑油压力对初始裂纹前缘应力强度因子的影响,揭示了不同润滑油温度、浸油深度和齿轮转向下的润滑油压力对裂纹扩展速率以及裂纹扩展路径的影响规律。研究结果表明:润滑油作用下KⅠ仍远大于KⅡ和KⅢ,润滑油作用对应力强度因子KⅠ影响较明显,裂纹类型主要表现为张开型裂纹;考虑润滑油作用下裂纹扩展速率要比不考虑润滑油作用下大,在裂纹扩展起始阶段,不同影响因素对裂纹扩展速率的影响较小,随着裂纹长度的增加,裂纹扩展速率差异变大;裂纹扩展速率随润滑油温度没有明显变化规律,随浸油深度的增大而增大,齿轮正转时裂纹扩展速率大于齿轮反转;在裂纹扩展的前期,裂纹朝轮缘的方向扩展,考虑润滑油作用与不考虑润滑油作用下齿轮端面上裂纹扩展路径基本一致。

关键词： 磁阻式磁力齿轮   解析法   有限元仿真   多目标优化   温度场分析  

摘要： 磁阻式磁力齿轮是依靠磁场间相互耦合来传递动力的同轴式传动装置,其高速转子仅由凸极铁芯构成,结构简单稳固,适合在高速及重载的工况下运行,具有噪声低、无需润滑、免维护和自动过载保护等诸多优点。目前,国内外对磁阻式磁力齿轮的相关研究很少,基于此,本文主要做了以下几个方面的研究: 首先,阐述了磁阻式磁力齿轮的基本结构及工作原理,利用解析法推导出内、外层气隙中的磁通密度表达式以及该磁力齿轮的传动比与高、低速转子转速和结构参数之间的关系。最后,基于麦克斯韦应力张量法计算出各转子之间的传递转矩表达式。 其次,建立磁阻式磁力齿轮的有限元仿真模型,利用Mag Net仿真软件对磁阻式磁力齿轮的转速特性、矩角特性、稳态特性和气隙磁通密度等进行有限元分析,验证其基本特性与传动比之间的关系。并分析了磁阻式磁力齿轮结构参数对其最大电磁转矩和转矩脉动性能的影响,为优化设计提供合理的参数取值范围。 再次,利用田口实验设计方法筛选出对设计目标影响较大的因子,采用响应面法得到反映优化参数与优化目标之间函数关系的数学模型,最后进行基于多目标白鹭群优化算法的磁力齿轮结构参数优化设计,寻找出最优参数组合并对优化结果进行对比分析。优化后,最大输出转矩提高了7.76%,转矩脉动降低了28.76%。有限元仿真验证了优化算法的有效性和可靠性,为以后磁阻式磁力齿轮的参数优化设计提供有价值的参考。 最后,利用Therm Net软件建立磁力齿轮的二维温度场模型,对优化后的磁力齿轮稳态温度场进行有限元分析,分析了磁力齿轮的凸极铁芯、调磁铁块、永磁体以及外铁轭等各部分的温升分布,以及不同输入转速对磁力齿轮各部分温度的影响。结果表明,该磁力齿轮各部分的温度都在合理范围内,且随着输入转速的增大而增大。 本文共有图43幅,表10个,参考文献64篇。

关键词： 外啮合齿轮泵   数字孪生   虚拟模型   数据集成   泄漏量预测  

摘要： 齿轮泵作为液压系统的核心动力元件,具有结构简单、压力波动小、噪声低、效率高等优点,因此在传统机械行业得到广泛的应用。但随着全球数字化的迅速发展,传统的机械行业开始向智能化、数字化领域转型。传统的齿轮泵设计、优化、实验仿真、运行控制方式已经满足不了市场对液压设备安全性、运行状态数据可视化和智能化控制的迫切需求。开展齿轮泵数字孪生技术的相关研究对齿轮泵数字化、智能化尤为重要。基于此,本文以外啮合齿轮泵为研究对象,主要从以下几个方向进行研究:(1)通过齿轮泵数字化五维模型的提出,分析了齿轮泵数字孪生系统的需求,确定以物理层、虚拟层、数据层、服务层、应用层五个层级为齿轮泵数字孪生系统架构,并通过齿轮泵数字孪生系统架构构建齿轮泵数字孪生系统。(2)使用三维静态建模软件SOLIDWORKS、3DMAX建立齿轮泵数字孪生体的几何和结构模型,使用Unity3D虚拟开发引擎建立齿轮泵数字孪生体行为模型和规则模型,完成齿轮泵数字孪生体虚拟模型的建模。通过虚拟模型虚实映射、空间位姿变换、碰撞检测完成虚拟模型的运动仿真,实现了齿轮泵数字孪生系统虚拟层的构建。(3)基于齿轮泵物理平台,使用PLC对齿轮泵试验台动作控制与传感器信号采集。利用Lab VIEW设计齿轮泵性能退化数据采集系统,通过与PLC建立通讯连接实现物理层的数据采集。将采集到的数据存储至My SQL数据库,使用My SQL Workbench设计数据库E-R模型和数据表结构,最后编写C#脚本将数据虚实集成,实现了齿轮泵数字孪生系统数据层的构建。(4)结合齿轮泵性能退化数据,运用Python编程语言和Py Charm编译环境通过LSTM、GRU、Transformer三种神经网络对齿轮泵泄漏量进行预测。通过预测结果RMSE和测试集预测时间对比分析,将预测效果较为精确的Transformer神经网络融合至虚拟空间对齿轮泵性能退化过程进行智能预测,实现了齿轮泵数字孪生系统服务层的构建。(5)根据齿轮泵数字孪生系统的物理层、虚拟层、数据层、服务层设计系统应用层和功能模块。主要包括系统管理模块、齿轮泵数字孪生系统知识模型模块、齿轮泵自由拆解模块、运动仿真智能监控模块、数据管理模块,并对各个功能模型进行开发和测试,最终完成了齿轮泵数字孪生系统的设计与实现。

摘要： 安徽星瑞齿轮传动有限公司前身是创建于1966年的六安汽车配件厂,1997年5月加入江汽集团,2001年8月随江汽股份成功上市,系江淮汽车核心零部件企业、全资子公司。公司现有员工1000余人,其中专科及以上学历400人;拥有科研人员290人,多人荣获安徽省“538英才工程”拔尖人才、安徽省技术领军人才、六安市学术和技术带头人、青年科技英才等称号。

关键词： 高速干切滚齿   齿面纹理   特征向量   机器学习   切削参数优化  

摘要： 高速干切滚齿机是目前滚齿机床中顺应绿色制造趋势的典型装备,齿面纹理是其加工表面质量的重要指标。齿面纹理不合格会增大运行噪声、增大齿面缺陷风险、降低可负担载荷。在大批量加工中,通常采用人工定期抽检法检测齿面纹理,易引起漏检、错检,降低产品质量稳定性,造成企业经济损失。为此,本文以某型新能源汽车齿轮为研究对象,进行了基于主轴振动信号的齿轮高速干切滚齿表面纹理监控方法研究,主要研究内容如下:(1)搭建基于振动信号的高速干切滚齿机监测信号采集平台。从齿面纹理的一般形成机理出发,对比几种常用机械加工监测信号优缺点,确定最合适的信号种类;组织相关采集设备,于YA3118高速干切滚齿机上搭建信号采集平台;设计实验方案,采集该型齿轮于变切削参数加工下的主轴振动信号,测量对应齿面纹理。(2)进行高速干切滚齿机主轴振动信号特征提取方法研究。针对主轴振动信号噪声分量大的情况,使用小波阈值降噪方法;基于降噪信号,利用希尔伯特黄变换构建振动信号原始特征向量;基于拉普拉斯分值法对原始向量进行特征降维,最终完成特征提取,获得高速干切滚齿机主轴振动信号特征向量。(3)构建基于卷积神经网络的齿面纹理监测识别模型。分析卷积神经网络各层级原理及关系,确定识别模型层级结构、基本参数;构建规模、标签合适的特征向量样本集合并进行训练;对齿面纹理监测识别模型进行结果分析,同时对比分析不同特征向量构建方法的适配性。(4)进行齿轮高速干切滚齿表面纹理调控方法研究。探究高速干切滚齿切削参数对齿面纹理的影响规律,结合生产实际中的几何精度约束条件,制定了一种面向齿面纹理,通过切削参数优化的调控方法;进行加工实验,验证齿面纹理调控方法效果。

关键词： 非圆齿轮液压马达   结构设计   性能分析   间隙泄漏   流场仿真  

摘要： 非圆齿轮液压马达是一种新型低速大扭矩液压马达,其结构主要由内齿圈、行星轮、太阳轮、配流盘和前后端盖等组成。该马达由非圆齿轮传动技术与液压技术相结合的方式研发而成,具有高效率、耐冲击、刚性好的优点,尤其是抗油污能力强的特点使其备受关注。由于传统非圆齿轮液压马达研究大多把重心放在了非圆齿轮系上,对其内部流场的变化情况、输出特性以及泄漏问题研究较少。本文在4-6阶非圆齿轮液压马达整体结构设计的基础上,对该马达的性能以及内部流场进行了仿真分析。 首先,利用非圆齿轮系的的啮合关系,对非圆太阳轮和非圆内齿圈进行了设计,并讨论了在实际安装中行星轮位置的确定,由此对配流盘的设计过程进行了研究;为了减少间隙泄漏,讨论了配流盘密封的必要性,接着对马达其他关键部位进行了设计。在此基础上,为了避免马达在运转过程中各零件产生共振和噪音,利用模态分析讨论了马达的非圆齿轮系、输出轴以及总装配体的一到六阶的频率和振型。 其次,为了对非圆齿轮液压马达的性能进行研究,在建立相关数学模型的基础上,利用AMESim软件建立了4-6阶非圆齿轮液压马达的液压系统模型,通过合理的参数设置,对马达腔内的流量、压力的变化规律进行了分析,并且通过仿真得出其输出流量与转矩的特性曲线,最后利用理论排量与仿真排量相对比的方式,验证了液压系统模型的正确性。 再次,根据非圆齿轮液压马达的泄漏途径,确定了轴向间隙泄漏占据该马达泄漏的主要部分,通过流体力学的理论基础,建立马达间隙泄漏模型,对太阳轮与配流盘、行星轮与配流盘之间的泄漏量与功率损失进行了分析,并以总功率损失最小为原则得到非圆齿轮液压马达间隙最优解。 最后,采用Fluent软件对非圆齿轮液压马达的三维流场模型进行了仿真分析,其有助于真实的了解非圆齿轮液压马达内部流场的变化情况。通过建立非圆齿轮液压马达整体和配流区域的间隙泄漏简化模型,对马达在运转过程中间隙内的流体流动特性进行了仿真分析,得到了模型的压力分布、速度分布、压力梯度以及泄漏量,结果符合非圆齿轮液压马达内部实际泄漏的特点,这也为以后的非圆齿轮液压马达优化设计工作提供了数据参考和改进方向。图74幅,表15个,参考文献64篇。