关键词： 啮合线   低滑动率   蜗杆面齿轮   碟形砂轮磨削  

摘要： 蜗杆面齿轮是一种蜗杆与面齿轮构成的新型空间交错轴齿轮传动,由于传动比大等优势广泛应用于大型运输机等航空装备,其齿面滑动率、磨损以及齿面精度等性能直接影响装备使用效率和寿命。蜗杆面齿轮因传动比大往往会出现齿面滑动率大、齿面磨损严重的情况,但目前低滑动率蜗杆面齿轮齿面设计尚未引起学者们的关注;同时针对蜗杆面齿轮的加工方法的研究也只是对粗加工技术进行探究,尚未形成有效的精密磨削加工技术,无法满足航空装备的高精度、高强度、高寿命的需求。本文以实现蜗杆面齿轮齿面的低滑动率为设计目标,同时保证齿面啮合性能,形成低滑动率蜗杆面齿轮齿面设计方法和基于五轴数控磨齿机的碟形砂轮精密磨削技术,主要研究内容如下所述。(1)形成低滑动率蜗杆面齿轮齿面设计方法。分析蜗杆轴截面齿廓与啮合线的关系,基于蜗杆轴截面齿廓滑动率的计算公式,探究啮合线对齿廓滑动率的影响规律。给定啮合线三次函数,通过调整啮合线函数的参数达到降低齿面滑动率的目的,并得到低滑动率蜗杆轴截面齿廓方程,进而推导出低滑动率蜗杆面齿轮齿面方程。(2)基于低滑动率蜗杆面齿轮齿面设计方法,求解蜗杆面齿轮副空间共轭曲面滑动率,建立蜗杆面齿轮副加载接触分析模型。以啮合线函数参数为优化变量,以蜗杆面齿轮齿面滑动率最大值最小、齿面最大接触应力最小为优化目标,建立基于多目标NSGA-II优化算法的优化模型求解最优解。通过有限元仿真手段对比优化前后的滑移量和齿面最大接触应力,验证理论分析结果。(3)提出基于五轴数控磨齿机的碟形砂轮磨削蜗杆面齿轮精密加工方法。分析碟形砂轮、蜗杆、蜗杆面齿轮三者的相对运动关系,探究碟形砂轮磨削蜗杆面齿轮的加工原理,基于三者的内外啮合关系,创建蜗杆面齿轮的磨削加工坐标系,求解蜗杆面齿轮的磨削加工模型。利用VERICUT软件进行蜗杆面齿轮的磨削加工仿真,根据蜗杆面齿轮的磨削加工运动关系得到碟形砂轮在机床坐标系下的四轴联动方程。开展碟形砂轮磨削蜗杆面齿轮实验加工,加工结果显示,蜗杆面齿轮的齿距和齿形分别为4级和5级精度,验证了本文提出的碟形砂轮精密磨削方法的合理性。本文主要针对蜗杆面齿轮副传动比大造成的齿面滑动率高和蜗杆面齿轮精密磨削刀具设计与路径规划困难两个问题,提出了蜗杆面齿轮的低滑动率齿面设计方法和碟形砂轮精密磨削技术,并加工得到4～5级精度的蜗杆面齿轮。论文的研究成果可以应用于蜗杆面齿轮副的高精密制造领域。图74幅,表7个,参考文献87篇

关键词： 螺旋锥齿轮   接触印痕   结构光   编码约束   实例分割  

摘要： 螺旋锥齿轮凭借其传动平稳、承载能力高、噪音小、结构紧凑等特点而被广泛应用于航空航天领域的高速重载高精度的机械传动结构中。接触印痕的位置大小以及方向的优劣反映着齿轮的各项综合误差,直接影响着齿轮传动质量、承载能力与振动噪声。目前在生产实践中仍采用“贴色法”的纯人工检测方法,虽然区别于传统的“目测法”,能够进行定量分析,但是存在主观性强、耗费人力且灵活度与效率低的劣势。本文基于机器视觉、图像处理以及深度学习等技术,研究螺旋锥齿轮接触印痕识别与检测方法,通过试验验证对螺旋锥齿轮齿面接触印痕的图像采集-三维重建-点云处理-参数测量的全自动化检测流程。论文的主要研究工作如下: 1)对螺旋锥齿轮接触印痕与全齿面的识别技术与方法展开研究。基于深度学习与图像处理技术,通过YOLACT单阶段实例分割方法实现对接触印痕与齿面区域的图像分割,得到了后续立体匹配与三维重建所需的目标区域的轮廓信息。 2)针对螺旋锥齿轮反光、低纹理复杂曲面寻找到适合的图像采集方法,通过加入结构光图案投影的方法,增加齿面表面纹理信息,辅助以双目工业相机,无需单独对投影设备进行标定。通过三维重建得到深度信息并恢复齿面三维形状,解决了由于检测目标表面纹理与环境因素而产生的图像区域采集不完整的问题。 3)基于结构光编码约束与双目相机极线约束实现对齿面图像特征的立体匹配。通过对采集到的结构光图像进行编码解码,求得解包裹相位后的绝对相位值。以该编码值为约束,加上极线约束进而锁定左右图像上对应点的位置,实现特征点匹配。根据已知特征点进行深度计算,然后得到了三维重建后的齿面稠密三维点云。 4)搭建完整的螺旋锥齿轮接触印痕检测软硬件系统。以两个工业相机加投影仪设备搭建硬件平台,基于python语言进行编程,以Py Charm与Anaconda作为开发平台,设计软件系统用于实现对螺旋锥齿轮齿面接触印痕的图像采集-三维重建-点云处理-参数测量全自动化检测流程。最后实现了螺旋锥齿轮接触印痕的识别以及得到了其几何形状参数以及边界距离参数的检测结果。 论文提出的螺旋锥齿轮接触印痕识别与检测方法能够大大提高检测的准确度与效率,得到的接触印痕检测结果与贴色法得到的结果相对误差控制控制在合理范围内,可达到检测要求,能够为螺旋锥齿轮的表面质量判断提供新的技术与方法,具有较高的应用价值。 图66幅,表15个,参考文献73篇

关键词： 局域强信号   自适应消噪   齿轮故障诊断   监测系统  

摘要： 齿轮是动力传动系统的关键组成部分之一,具有高功率密度和高效率等优点,广泛应用于航空航天、风力发电、高铁等重要装备中。然而高温、重载、冲击等苛刻服役环境极易诱发齿轮故障,严重威胁着机械设备的运行可靠性和人员生命财产安全。传统诊断方法主要依靠布置于齿轮箱体、轴承座等外部位置振动加速度传感器实现振动信号的拾取和进一步的分析诊断。受制于传递路径、界面耗散、背景噪声等因素,振动信号中故障特征衰减明显,限制了齿轮早期剥落故障诊断准确率的提升。因此,开展内部嵌入式或原位信号感知研究、提出适用于内部局域信号的信号消噪方法,实现早期剥落故障微弱特征的增强和提取,对齿轮传动系统安全服役能力提升具有重要的工程价值和理论意义。本文围绕齿轮早期剥落故障原位感知局域信号的采集原理、消噪方法和诊断识别开展研究,构建了含早期剥落故障的齿轮-原位传感器(指布置与齿轮端面的嵌入式传感器)耦合动力学模型,探明了原位感知局域信号(齿轮端面上采集的振动信号)的动态变化规律和调制机理,提出了适用于局域强信号的多层级自适应卷积网络消噪算法,实现了局域强信号中齿轮早期剥落故障特征成分增强和诊断识别,最后开发了一套面向原位感知的齿轮箱无线健康状态监测系统。本论文的主要研究内容包括:(1)针对齿轮原位传感器感知的局域强信号构成不明和调制机理不清的问题,构建了含齿面早期剥落故障的齿轮-原位传感器耦合动力学模型,探明了齿轮局域强信号的构成成分,分析了齿轮原位传感器的信号感知机理以及不同状态下的齿轮振动调制机制,揭示了不同转速工况对齿轮原位传感器感知的局域强信号的影响规律。(2)针对非平稳多源噪声环境下自适应消噪滤波器最优参数全局寻优难的问题,基于维纳滤波和梯度下降原理,提出了一种新的多层级自适应消噪卷积网络构建方法,克服了传统自适应消噪算法消除非平稳噪声时的全局最优参数搜索效率低、不准确等缺点,数值仿真了包含随机、有色等多类型噪声的齿轮故障信号,对比验证了算法的有效性和优越性。(3)针对齿轮传动系统非平稳运行导致的特征频率模糊现象,提出了基于局域强信号转速分量的角域阶次分析方法,搭建了齿轮剥落故障实验台,模拟了齿轮早期剥落故障,测得了正常齿轮和齿面剥落故障状态下的局域强信号,实现了齿轮剥落故障信号中正常信号分量和噪声分量的抑制,验证了算法在角域上消噪的可行性,提高了对齿轮故障诊断的准确性。(4)基于齿轮局域强信号的原位感知方法和数据无线传输原理,设计了齿轮原位感知的振动加速度传感器和无线数据采集板,开发了齿轮箱健康状态无线监测系统,集成了网络传输、系统管理、信号采集、数据存储、数据分析和齿轮故障信号噪声自适应消除及诊断等功能。

关键词： 准双曲面齿轮   端面滚齿法   颤振   切削动力学建模   颤振抑制   加工形貌预测  

摘要： 准双曲面齿轮传动可以方便地实现空间交错轴间动力和运动的传递,且具有许多优点,比如重合度高、承载能力强等。在当今的工业生产生活中已经被应用于航空航天、汽车、舰船和工程机械等诸多重要领域。摆线齿准双曲面齿轮采用连续分度法进行双面铣齿,这种方法又被称为端面滚齿法。端面滚齿过程中因切削力引起的机床振动是影响准双曲面齿轮的加工精度与齿面表面质量的重要因素,这将导致被加工齿轮在工作过程中的冲击和噪声。但由于准双曲面齿轮的加工原理复杂、曲面复杂,当前未有高效精确的针对端面滚齿法的切削动力学模型和有效的颤振抑制手段。 针对上述挑战,本文以准双曲面齿轮副大轮的半展法成法为研究对象。从端面滚齿法的加工过程中工件与刀盘之间的相对运动和加工原理出发,提出了准双曲面齿轮工艺系统切削动力学建模的矢量化方法。系统分析了端面滚齿过程中的切削力、机床振动、齿面加工振纹等,以此为基础,设计了一种可调谐分布式阻尼动力吸振器对端面滚齿过程中的颤振进行抑制。主要内容包括以下五个方面: (1)以某国产螺旋锥齿轮数控铣齿机床为研究对象,在机床各个运动部件的相对运动关系和准双曲面齿轮啮合原理的基础上,采用齐次变换矩阵研究了端面滚齿过程中齿面的形成。提出了齿面形成过程各加工周期下被加工齿面上同源点的概念,将同源点之间的差矢量向对应时刻下被加工齿面位置点的法矢量投影,构造了高效高精度的准曲面齿轮端面滚齿加工过程的矢量化瞬时切削厚度模型;根据准双曲面加工过程的边界理论,得到在各进给位置瞬时切削宽度的解析解。结合经典的金属斜角切削理论,将端面滚齿过程在切削区域沿刀具切削刃方向离散化为基本的金属斜角切削过程,首次构建了高效的全解析式准双曲面齿轮端面滚齿加工铣削力预测模型。与已有的端面滚齿法半解析切削力预测模型相比,所提出的矢量化全解析式铣削力预测模型可以完整的预测整个刀盘上所有刀条的切削力合力。对端面滚齿加工过程切削力的预测效率提高了75.67%,预测误差小于5%。 (2)考虑机床振动的影响,利用所提出的矢量化方法仿真得到了在计入机床振动后被加工齿面的实际加工形貌。同理,根据各个切削周期被加工齿面上同源点的定义方法,提出了考虑了机床振动的齿面扩展同源点的概念。利用考虑了机床振动后的扩展同源点与对应无振动理论齿面同源点之间的差矢量向理论齿面对应点的法向量投影,构建了因振动引起的切削厚度的变化模型。结合同源点构造的切削厚度模型,对切屑再生效应进行了矢量化表征。考虑加工过程中齿面上各个点法向量的非线性时空变化特点、刀盘上刀具切削刃与工件之间的啮入啮出行为、加工过程中的非连续间断切削过程和因振动引起的跳动效应,建立综合了机床结构模态参数、准双曲面齿轮加工工艺参数、刀盘几何参数、准双曲面齿轮齿坯设计参数和材料参数的全解析式准双曲面齿轮端面滚齿工艺系统的切削动力学模型。与工业生产中的实测振动、有限元分析模型相比较,其误差控制在15%以内,可高效完成准双曲面齿轮端面滚齿加工全过程的机床振动仿真分析,并实现了工程应用、理论模型和有限元分析三者的相互印证。与本文中由半解析切削力预测模型扩展而来的切削动力学模型相比,其计算速度提高了36.11%。 (3)基于扩展同源点的概念,计算了准双曲面齿轮加工过程中刀具切削刃在齿面法线方向上的振动分量引起的齿面形貌的变化,利用计算机可视化编程实现了对被加工齿面振纹和三维形貌的仿真预测。与实际加工振纹相比,预测得到的齿面加工形貌和实际形貌具有相同的特征,表明了半展成法加工过程中出现的齿面直纹是由于加工过程中出现的机床颤振引起。 (4)为消除加工过程中出现的齿面颤振振纹,设计了一种新型的可调谐分布式阻尼动力吸振器并对其参数调谐优化算法进行研究。与传统的调谐质量阻尼器相比,所提出的非传统调谐阻尼动力吸振器具有较高的结构灵活度,对端面滚齿加工过程中主要频率振幅的抑制效果提高了57.63%。 (5)集成了准双曲面齿轮端面滚齿加工的切削动力学分析研究软件平台。可利用软件对螺旋锥齿轮加工过程的仿真,提取加工过程中的切削力、切削振动、表面形貌误差等各类信息。为新一代的准双曲面齿轮加工机床的开发和设计提供理论基础和技术指导。

关键词： 热混合润滑   拟静力学   乏油润滑   角接触球轴承  

摘要： 角接触球轴承是高铁齿轮箱轴承中的重要轴承之一,其润滑性能决定了列车的安全和寿命。本文从理论和试验两方面研究了高铁齿轮箱角接触球轴承的混合润滑问题,主要的研究内容包括4部分:角接触球轴承拟静力学模型构建及分析;基于拟静力学分析的热混合润滑性能;供油条件对角接触球轴承热混合润滑性能的影响;陶瓷球接触副与钢球接触副成膜性能的试验研究。首先,综合考虑了轴向载荷、径向载荷、离心力与陀螺力矩的作用,建立了角接触球轴承拟静力学模型,分析了滚动体材料、初始接触角、内圈转速和节圆直径对内外圈接触载荷、接触角和卷吸速度等参数的影响。结果表明:与钢制球轴承相比,混合陶瓷球轴承接触工况更好,更适合在高速条件下工作;转速增大,则内圈接触载荷、外圈接触角与卷吸速度增大,外圈接触载荷与内圈接触角减小;节圆直径对接触载荷影响较小,对卷吸速度影响较大。其次,建立了基于拟静力学的热混合润滑模型,揭示了多个滚动体的润滑状态,探讨了初始接触角和环境粘度对角接触球轴承混合润滑性能的影响。结果表明:比等温条件相比,考虑热效应时的油膜厚度和平均摩擦系数较小,粗糙峰接触载荷比更大;当初始接触角为15°时,角接触球轴承的混合润滑性能最佳。环境粘度增加,平均摩擦系数减小,混合陶瓷球轴承由边界润滑过渡到混合润滑状态,其混合润滑性能得到改善。较钢制球轴承,混合陶瓷球轴承可以减小摩擦系数,但会增大粗糙峰接触载荷。再次,考虑供油条件,建立了角接触球轴承乏油热混合润滑模型,判断了多个滚动体润滑状态,研究了供油量、滚动体材料、内圈转速和环境粘度对润滑性能的影响。结果表明:随着供油量的增加,膜厚比和油膜最高温度增大,粗糙峰接触载荷比和平均摩擦系数减小,最终都趋于一个稳定值,达到准充分供油状态;在乏油润滑条件下,较混合陶瓷球轴承,钢制球轴承的膜厚比和平均摩擦系数较大,粗糙峰接触载荷比与油膜最高温度较小;随着内圈转速或环境粘度的增加,膜厚比增加,粗糙峰接触载荷比与平均摩擦系数变小,油膜温度升高。与充分供油相比,乏油条件下的混合润滑性能较差。最后,在点接触光弹流润滑试验台上,分别进行氮化硅陶瓷球-玻璃盘接触与钢球-玻璃盘接触润滑成膜试验,研究了不同速度、载荷、接触材料和润滑油粘度对油膜形状与厚度的影响。结果表明:与低速条件相比,高速条件下载荷对膜厚的影响较大,且高速轻载条件下润滑性能最好;当润滑油为低粘度时,钢球与陶瓷球对应的膜厚相近;润滑油粘度增大,钢球与陶瓷球对应的膜厚差别增大。

关键词： 行星齿轮   弹性流体动力润滑   微观形貌   接触刚度   接触疲劳  

摘要： 齿轮作为基础传动零部件被广泛应用,在啮合过程中相互撞击,齿轮表面会发生相对运动,造成齿轮表面磨损,由于润滑液的作用会在接触表面形成油膜,减少齿轮磨损,延长齿轮使用寿命。本文针对弹性流体润滑下齿轮副的接触性能,综合考虑齿面微观形貌,开展对行星轮系中齿轮副接触性能的进一步研究,先对齿轮副运动状态分析,基于润滑接触理论建立弹性流体动力润滑接触模型,对油膜状态参数分析,后续用仿真数据与理论数据对比,分析齿轮副啮合过程中油膜压力、厚度和疲劳等接触特性变化规律。主要研究内容如下:首先,分析处于弹流润滑的行星齿轮副的接触状态,根据齿轮副啮合时的相对滑移速度和啮合时等效曲率半径对齿轮副的接触分析进行简化,分析齿轮运动状态。基于压力、润滑液粘度和密度关系建立广义雷诺方程,基于弹性流体动力润滑接触方程对行星齿轮副啮合接触过程和接触状态进行分析,对比分析建立的弹性流体润滑接触模型与赫兹接触理论简化模型。其次,分析齿面微观形貌对行星齿轮副接触性能的影响,对齿轮表面微观形貌进行三维数学表征,分析影响微观形貌的特征因素,通过与齿面形貌测量结果对比分析,得到齿轮在不同形貌分形特征参数下的三维轮廓线变化规律,结合微观形貌建立齿轮法向接触刚度模型,基于ANSYS有限元仿真软件对齿轮副啮合过程中的接触疲劳进行仿真评估,分析齿轮动态啮合接触性能的影响因素,同时接触区的压力会改变润滑接触状态,再建立齿轮时变啮合刚度模型和油膜刚度模型,分析影响刚度的变化因素,考虑不同工况、齿轮参数、齿面表面粗糙度对接触性能的影响。最后,基于行星齿轮接触试验台架开展齿轮副接触特性实验,观测整个变速器工作系统温度分布,基于热电偶对已经处于热平衡状态的齿轮副进行温度点测量,基于应力应变片对接触应变进行测量,基于行星齿轮接触实验研究不同转速和转矩等因素对温度和接触应力的影响,对行星齿轮接触特性分析具有重要意义。

关键词： 斜齿轮   喷丸   涂层   点蚀  

摘要： 齿轮传动是变速箱里的关键传动部件,齿轮的传动效率和寿命作为评判变速箱稳定性和可靠性的关键指标。当齿轮在传递动力过程中发生失效时,将会中断动力输出。据统计分析,目前齿轮点蚀是变速箱最为常见的失效形式。因此,改善齿面点蚀问题,提升齿面接触疲劳强度的研究显得尤为重要。 首先,本文阐述了齿轮微点蚀和宏观点蚀的国内外研究现状,对两种点蚀的现象以及产生机理做了详细阐述。通过探究点蚀的微观结构,分析了点蚀成因与裂纹萌生的关系,说明提升齿面接触疲劳强度的重要意义。同时,根据变速箱传动结构特征,利用赫兹理论分析变速箱斜齿轮的受力情况,计算齿面接触应力以及疲劳强度。 其次,搭建了一款自动变速箱的齿轮传动系统仿真模型,仿真分析出轴的弯曲变形和疲劳强度以及齿面接触强度。研究了不同输入扭矩和转速对啮合齿面接触应力的影响。为验证分析计算结果与齿轮实际啮合结果的匹配度,设计了齿面接触斑试验。本文针对齿面接触应力高,设计了不同的微观修形方案以改善齿面接触强度。考虑到齿轮传动时NVH(指噪音振动的不平顺性)效果,因此进一步探究了不同微观修形对传递误差的影响,综合分析后确定了齿轮修形方案。基于优化的修形方案,进一步研究分析表面强化与齿轮内部疲劳断裂的影响,分析出裂纹发生位置以及裂纹发生风险系数。 再次,研究了微粒喷丸在不同工艺方案下对齿轮的性能影响,通过轮廓仪研究微粒喷丸构建齿面微观结构。研究了基于微粒喷丸后的齿轮增加涂层后,齿面微观修饰的表面特征以及齿面轮廓的改善效果。深入研究了微粒喷丸影响齿轮残余应力和表面硬度的关键工艺参数,分析了微粒喷丸后的齿轮硬度梯度,进一步分析了微粒喷丸加涂层工艺后的齿面微观结构及检测了齿面粗糙度,为提升齿轮接触强度提供理论依据。 最后,设计了未喷丸齿轮和喷丸加涂层齿轮的动力台架耐久试验方案,通过对比试验结果,验证了喷丸加涂层后齿轮的抗点蚀性能。通过2轮整车耐久试验,验证了本文采用的喷丸加涂层工艺后齿轮的可靠性。深入研究试验后的齿轮表面形态和微观结构,分析探讨了微粒喷丸加涂层的强化机理。提出了微粒喷丸加涂层工艺提升了齿面硬度、改善了粗糙度和增加润滑效果,优化了齿轮接触疲劳强度,总结了本文改善齿面点蚀失效的机理。

关键词： 一级减速齿轮组   齿面修形   鲁棒性优化   斜齿轮系统动力学模型   阶次噪声  

摘要： 随着汽车的普及,汽车舒适性逐渐成为大众所考虑的评价指标,其振动噪声作为影响汽车舒适性的主要因素,因此,汽车存在较大的振动噪声会影响消费者的购买期望。汽车的振动噪声与车辆NVH问题有关,而变速器NVH问题是车辆NVH问题产生的主要来源之一,为了迎合消费者需求,变速器减振降噪研究应运而生。齿轮修形是一种主要的减振降噪方法,对于改善变速器NVH性能具有重要意义。鉴于此,本文以某6AT变速器一级减速齿轮组为研究对象,研究该齿轮组的振动噪声产生机理,构建面向齿轮修形的斜齿轮啮合刚度解析模型与传递误差解析模型,基于该模型进行双目标优化,再构建齿轮-轴承-转子耦合的齿轮系统动力学模型,并将优化方案的修形参数与动力学模型进行联合,计算出低、高扭矩条件下修形方案的振动特性,主要研究内容如下:首先,分析斜齿轮啮合过程中的齿轮接触情况,考虑斜齿轮齿廓曲面上啮合刚度的变化规律和斜齿轮啮合线的演变规律,提出一种基于能量累加法的大重合度斜齿轮啮合刚度解析模型,并建立传递误差解析模型,通过有限元仿真软件验证该模型的准确性与精确性,分析内、外激励对斜齿轮传递误差的影响,为齿轮修形研究奠定基础。其次,介绍齿廓修形与齿向修形理论,通过结合齿面参数坐标系将齿廓修形与齿向修形参数导入到斜齿轮传递误差解析模型,考虑扭矩的可变性以及齿轮制造加工中其表面粗糙度的不确定性,基于NSGA-III算法设计其针对齿面修形的鲁棒性优化策略,分析不同修形方案对传递误差峰峰值与齿面接触载荷的影响。再次,将一级减速齿轮组划分为齿轮啮合单元与变速器的其他单元(包括轴、轴承、箱体基础单元),通过有限单元法将各单元进行耦合,构建其弯-扭-轴-摆全耦合斜齿轮系统动力学模型,并联合优化方案参数,通过Newmark-β法进行迭代求解,分析系统的固有频率、时域响应特性以及不同齿轮修形方案对系统振动特性的影响。最后,搭建实验平台,基于阶次跟踪理论实现变速器的振源、声源定位,并设计不同工况的振动噪声实验,分析修形前与修形后的三、六挡升速工况的阶次噪声情况,验证对一级减速齿轮组进行修形可以有效改善某6AT变速器的NVH性能。