关键词： 人字齿轮-滑动轴承系统   喷油润滑   温度场   动态激励   动力学分析  

摘要： 星型人字齿轮传动系统,作为齿轮涡扇发动机(GTF)的核心部件之一,引入传统涡扇发动机的风扇和低压压气机之间,能有效提升发动机性能。星型人字齿轮系统输入转速高、载荷大,通常采用喷油润滑方式以减小齿面磨损和温升,齿面温度过高会产生较大的热变形影响齿轮啮合特性,致使系统内部激励发生变化;同时运转中的滑动轴承会导致齿轮偏心,进而影响齿轮动态啮合性能,而齿轮动态载荷又会对轴承偏心产生影响,所以齿轮副和滑动轴承之间存在相互耦合关系。因此研究星型人字齿轮多场耦合动态激励,开展齿轮-滑动轴承耦合动力学分析,对于齿轮传动减振和系统可靠性提升具有重要的工程意义。本文以GTF发动机星型人字齿轮传动系统为研究对象,开展齿轮系统喷油润滑瞬态流场分析、计及温度效应的齿轮系统内部激励分析、齿轮-滑动轴承耦合系统动力学分析、齿轮系统动力学影响因素分析。本文主要研究工作如下:(1)采用齿面移动法和动网格法,建立星型人字齿轮系统喷油润滑油-气两相流场仿真模型,对齿轮系统喷油润滑过程进行模拟,分析了齿面油压分布、箱内润滑油状态及流速分布、齿轮表面油气比例、各齿面对流换热系数。流场仿真分析得出,啮合区内油液较多,流速高,对流换热能力强。(2)计算齿面各啮合点的曲率半径、相对滑动速度和接触压力,借助混合弹流润滑理论,求解齿面摩擦系数和热流密度,利用有限元法计算齿轮系统温度和热变形;提取齿面温度和基体热变形,基于势能法求解计及齿轮温度的时变啮合刚度,结合齿侧间隙和静态传递误差的表达式,完成了内部激励表征。(3)采用集中参数法建立星型人字齿轮系统弯-扭-轴耦合动力学模型,求解考虑温度前后齿轮系统动态响应;将支承滑动轴承瞬态流场仿真所得轴心运动轨迹等效为行星轮动态偏心误差,引入齿轮系统动力学模型,实现齿轮-滑动轴承耦合动力学分析;考虑齿轮温度和滑动轴承动态偏心后,齿轮系统振动有所增大。(4)基于星型人字齿轮-滑动轴承耦合系统动力学模型,研究不同喷油参数、输入转速、粗糙度、滑动轴承进油量和轴承宽度对齿轮系统动力学响应的影响,仿真得出:减小喷射角度、增大喷油量和啮出侧喷油有利于齿轮润滑冷却,使齿轮啮合刚度减小,振动加速度有所降低;输入转速和粗糙度增大时,齿轮振动加剧;轴承宽度和进油量的增加导致行星轮偏心量减小,齿轮振动减小。

关键词： 齿轮测量中心   热误差测量   热误差建模   模糊聚类   径向基神经网络   逐点建模法  

摘要： 齿轮测量中心是齿轮测量的主流设备,随着齿轮测量精度和质量控制要求的提高,齿轮测量中心正逐渐应用于生产现场。与恒温计量室相比,生产现场的环境温度变化更剧烈且温度分布更复杂,这将使齿轮测量中心产生复杂的热误差,从而对齿轮测量中心的测量结果产生较大的影响。本文围绕齿轮测量中心在实际的生产现场环境下的实际热误差的测量与建模展开研究,设计了一个包含温度和热误差的检测系统,对室温环境下的齿轮测量中心的温度场和关键部位的热误差情况进行测量,并基于实测的热误差数据,建立了温度与热误差之间的数学模型,为齿轮测量中心的热误差补偿奠定基础。本文的主要工作包括以下几个方面:在分析影响齿轮测量中心热源的基础上,设计了齿轮测量中心温度和热误差检测方案,搭建了温度和热误差检测系统。对齿轮轴线与齿轮测量中心Z轴的平行度热误差和测头处的空间热误差进行了检测,在检测热误差的同时,也对齿轮测量中心周围环境及机身关键位置的温度进行了采集。这些数据的采集为后面齿轮测量中心热误差的建模奠定了基础。建立了齿轮轴线与齿轮测量中心Z轴平行度的热误差模型。首先,结合模糊聚类法和相关系数法对齿轮轴线与齿轮测量中心Z轴平行度的初始温度测点进行分组优化,确定温度敏感点,以减少模型学习的工作量以及数据集之间强相关性对模型学习的影响;然后,对齿轮轴线与齿轮测量中心Z轴平行度热误差分别通过径向基(RBF)神经网络和多元线性回归方法建立了热误差模型;最后,通过实验数据验证了所建模型的预测结果与实验数据的变化趋势基本一致,模型的拟合能力达到75%以上且模型的相对误差较小,说明模型的拟合能力良好;经实验验证了所建模型可以对新的数据做有效的预测,并证明了所建模型的正确性和泛化能力。建立了测头处的空间热误差模型。首先,结合模糊聚类法和相关系数法对测头在不同空间位置处的热误差的初始温度测点进行分组优化,确定测头各个敏感方向的温度敏感点;然后,结合逐点多元线性回归建模方法和反距离加权法(IDW)建立了测头处的空间热误差模型;实验结果表明,所建热误差模型与实际经验一致,模型的拟合能力达到90%以上且模型的相对误差较小,说明建立的空间热误差模型的拟合能力良好,同时实验也验证了该模型具有良好的精度和泛化能力。

关键词： 高线速度齿轮   流场特性   风阻功率损失   挡板调控   喷油润滑  

摘要： 为了满足传动系统高速、高功率的发展需求,高线速度齿轮传动系统广泛应用在航空、透平机领域。齿轮箱内的高速流场通过影响齿轮的风阻效应和润滑特性,进而影响传动系统的传动效率和性能。因此,需要开展高线速度齿轮箱体内部流场特性分析,获得风阻特性及其调控方法,在此基础上,研究高线速度齿轮传动系统喷油润滑、冷却特性。 首先,基于计算流体力学方法,建立了高线速度齿轮流场仿真模型,模拟了齿轮箱内高速湍流运动,分析了啮合区、非啮合区的流场运动,对比了斜齿轮流场与直齿轮流场的差异和形成原因,得到了高线速度齿轮流场分布特性。其次,在流场特性分析的基础上,计算了齿轮风阻功率损失,获得了风阻损失各组成部分的占比,研究了齿轮螺旋角、线速度、温度场对风阻效应的影响规律;建立了齿轮挡板调控模型,分析了齿轮挡板方位、挡板间隙对流场分布、风阻效应的调控作用。然后,基于多相流模型,建立了高线速度齿轮喷油润滑两相流场分析模型,分析了喷油参数对润滑特性的影响规律;建立了喷油润滑齿轮挡板调控模型,研究了齿轮挡板对油液分布及润滑特性的影响规律。为了进一步分析喷油冷却特性,基于齿轮啮合原理、赫兹接触理论计算了齿面平均接触应力和相对滑动速度,根据热流分配系数和啮合周期计算了主从动齿面的热流密度;建立了喷油润滑温度场仿真模型,计算了齿面平均温度和平均对流换热系数,研究了喷油参数、齿轮挡板对喷油冷却特性的影响规律。

关键词： 螺旋锥齿轮   多场耦合热处理仿真   热处理齿形变形   切齿加工参数反调  

摘要： 螺旋锥齿轮作为一种重要的相交轴传动零部件,以其传动平稳、承载能力强、噪音低等优点,广泛应用于汽车、航空、矿山、航海等领域。螺旋锥齿轮的齿面结构复杂且加工精度要求高。热处理过程中不可避免地会出现齿形变形,引起齿轮的不良啮合,产生噪音,直接影响齿轮的传动性能和使用寿命。针对螺旋锥齿轮热处理过程中出现的齿形变形问题,本文建立了切齿反调修正模型,基于Levenberg-Marquardat法,求解出切齿反调量稳定精确的数值解。在切齿阶段对热处理齿形变形进行预补偿,以实现螺旋锥齿轮热处理齿形变形的控制。首先,深入研究了基于切齿加工参数的螺旋锥齿轮精确建模;其次,研究了各项切齿加工参数的调整对齿形误差的影响规律;最后,研究建立了螺旋锥齿轮热处理齿形变形的切齿反调修正模型。本文主要研究内容如下:(1)基于切齿加工参数的螺旋锥齿轮齿面数学建模研究。根据螺旋锥齿轮切齿加工原理和齿轮啮合原理,通过坐标变换推导出含齿根过渡曲面的螺旋锥齿轮齿面方程;运用MATLAB软件求解出齿面离散点,在UG软件中建立了螺旋锥齿轮的三维建模。(2)基于多场耦合的螺旋锥齿轮热处理模拟仿真研究。使用JMat Pro软件计算了20Cr Mn Ti低碳合金钢在热处理过程中的相关热物性参数;基于渗碳场-温度场-组织场-应力应变场耦合模型,采用有限元法,对螺旋锥齿轮进行多场耦合热处理模拟仿真研究,分析螺旋锥齿轮在热处理过程中的碳元素分布、温度场、组织场及齿面变形情况。研究结果表明:热处理后,齿面渗碳层深度为1.14mm,碳元素分布均匀,齿面硬度为63.5HRC,齿轮芯部硬度为33.8HRC,与实际加工相符合。(3)各项切齿加工参数微调对齿形误差的影响规律研究。通过人为给定切齿加工参数微小变量扰动的方法,研究各项切齿加工参数的调整对齿形结构的影响规律和各阶齿形误差的影响权重。研究结果表明:在各项切齿加工参数中滚比对齿形误差影响最大,滚比微调0.01引起的小轮凹面和凸面的累计齿形误差分别为:5.901mm和7.228 mm;其次为径向刀位、刀倾角、轮坯安装角、垂直轮位,其他参数影响较小。(4)螺旋锥齿轮热处理齿形变形切齿反调修正模型的建立及实验研究。根据已建立的切齿加工参数与齿形误差的映射关系,构建齿形敏感系数矩阵;再结合齿形补偿量,建立热处理齿形变形的切齿反调修正模型;分别对切齿反调前后的齿轮进行热后齿形误差实验检测。实验结果表明:切齿反调后齿轮凹面和凸面的累计误差和最大误差得到了大幅减小,验证了切齿反调修正模型的有效性和可行性。

关键词： 主动振动控制   外激励力   齿轮箱   振动特性   减振降噪  

摘要： 齿轮传动系统在工业产品中应用越来越广泛,齿轮啮合过程中能传递需要的动能,同样还会引发整个系统的振动,加上齿轮生产过程中由于设备的生产精度导致产出的齿轮精度有误差,会加剧齿轮系统在啮合过程的振动,再加上整个齿轮箱中的轴承与轴、轴承与箱体、轴与齿轮之间在装配过程中也会出现误差,同样会导致整个齿轮系统的振动加剧,此振动通过传递会引起箱体的振动进而会带来箱体辐射噪声。本文通过对比现有的减振降噪方法,从主动振动控制原理出发,以一款绿篱机二级齿轮传动系统的齿轮箱为研究对象,通过改变外激励力的方式研究齿轮箱减振降噪的效果,具体研究内容为:(1)齿轮箱振动特性分析:采用有限元方法对齿轮箱进行模态分析,获取固有振型和固有频率;建立齿轮箱系统动力学模型,并获取了箱体六个轴承的轴承支反力,将获取的轴承支反力作为齿轮箱有限元模型的载荷边界条件,采用模态叠加法对箱体进行谐响应分析。(2)齿轮箱振动噪声测试:搭建了齿轮箱箱体振动和噪声实验测试平台,利用三轴加速度传感器采集齿轮箱在正常工作条件下箱体表面振动数据,利用分贝仪采集齿轮箱在正常工作条件下箱体辐射噪声数据,结合有限元分析结果与实验测试结果确定次级力源布放位置。(3)主动振动控制仿真实验:根据模态抑制和模态重构两种控制机理,提出了四种外激励力分别是:施加相位相反幅值相同的外激励力、相位相反1.5倍幅值的外激励力、相位相反0.5倍幅值的外激励力、抑制主导振幅外激励力,将这四种外激励力施加在次级力源上抑制箱体振动分析其减振降噪效果,利用有限元方法对四种外激励力作用下齿轮箱振动仿真,并将仿真得到箱体振动控制后的四种箱体表面振动数据作为边界条件导入LMS ***声学软件中,采用直接边界元法计算出齿轮箱向外声场辐射的噪声。主动振动仿真结果表明:施加相位相反振幅相同的外激励力减振效果最佳,相位相反振幅成倍数关系的外激励其位移曲线仅降低振动位移幅度未改变位移曲线走势,而施加抑制主导振幅外激励力降低了主导振幅的幅度,其他频率的振幅不一定被减小;声学仿真结果表明:施加相位相反倍数幅值外激励力时齿轮箱噪声得到一定的降噪效果,且声压级频率曲线走势未改变,声压峰值主要集中在1000Hz～1500Hz频率内,施加抑制主导模态的外激励力的降噪效果最佳,且在齿轮啮合频率各倍频处有很好的降噪效果,最高降噪量在1191Hz处达到了50.13d B。

关键词： 直齿变齿厚齿轮   车齿刀具   齿廓修形   模拟退火  

摘要： 车齿作为一种高效的加工方式已经成熟地应用于加工渐开线圆柱齿轮,故采用车齿加工同为渐开线齿轮的直齿变齿厚齿轮也引起了工业界的关注。直齿变齿厚齿轮齿面为渐开线齿廓在锥形齿坯沿轴线连续变位得到的复杂曲面,相较于渐开线圆柱齿轮,其加工原理复杂、误差控制更为困难,目前还未见公开研究作为技术支撑。为此,本文以实现直齿变齿厚齿轮的高精度车齿为目标,在现有车齿技术的基础上,提出了一种直齿变齿厚齿轮的车齿加工方法,建立了相关数学模型,分析了加工误差,并提出了相应的优化方法来控制加工精度,具体内容如下: (1)介绍了直齿变齿厚齿轮车齿加工技术。在直齿变齿厚齿轮理论齿面设计及直插法插齿加工的基础上,研究了直齿变齿厚齿轮车齿加工的方法及原理,分析了直齿变齿厚齿轮车齿加工的理论误差产生的原因。 (2)建立了直齿变齿厚齿轮的车齿加工误差模型。结合车齿刀具的前刀面、后刀面等几何特征,设计出车齿刀具模型;根据直齿变齿厚齿轮的车齿加工运动关系,建立车齿加工齿面数学模型,并与理论模型进行对比建立直齿变齿厚齿轮误差曲面模型。 (3)基于高精度直齿变齿厚齿轮优化车齿刀具参数。分析车齿刀具的结构参数和廓形参数对误差曲面的影响规律,以直齿变齿厚齿轮齿面精度最优为目标函数,刀具结构参数和廓形参数为优化参数,采用模拟退火优化算法求得齿面误差结果低于3微米。 (4)直齿变齿厚齿轮车齿加工仿真及实验验证。采用Vericut软件对直齿变齿厚齿轮进行了加工仿真,验证车齿加工理论模型和仿真模型正确后,采用H650C数控车齿机床进行了实验验证。 本文主要解决了直齿变齿厚齿轮采用车齿加工的可行性及加工精度控制的问题。通过“原理研究+数学建模+仿真分析+实验验证”相结合的方式,实现了直齿变齿厚齿轮的车齿加工,精度达到国标6级精度及更高,论文的研究成果可以进一步应用到直齿变齿厚齿轮的内齿或者斜齿变齿厚齿轮上。 图66幅,表5个,参考文献78篇

关键词： 滚磨光整加工   旋流式拖曳式   齿轮   离散元法   应力测试  

摘要： 齿轮作为传动装置的核心组成部分,在整个机械制造业中具有至关重要的地位。现代高端制造业对齿轮的特性有更高的要求,其中包括高承载能力、高使用寿命、高效率等。然而,我国的齿轮制造还主要集中在中低端水平,齿轮的表面质量问题成为制约我国制造业高水平、高质量发展的瓶颈。因此,提高齿轮表面质量,以满足现代高端制造业对齿轮特性的更高要求,是当前亟待解决的问题。旋流式和拖曳式滚磨光整加工是常见的齿轮光整加工技术,二者加工方式类似,但现阶段齿轮滚磨光整加工方式的选用主要由工程师主观经验决定,缺乏其加工差异性的理论研究。本文通过运动学计算、离散元模拟和实验验证三个方面对旋流式与拖曳式滚磨光整加工进行了分析并对比了两种存在的差异,为实际加工提高理论依据与参考。主要研究内容如下:(1)对齿轮进行了数学建模,分别对旋流式和拖曳式滚磨光整加工中齿轮齿廓上任意一点的运动轨迹、切削速度和加速度等变量计算公式进行推导,并分析了齿轮转速、滚筒转速和中心距等参数对齿轮加工效果的影响。结果表明:两种加工方式虽然运动轨迹不同但其切削速度和加速度基本相同。齿轮自转与滚筒自转转向为同向时其齿面加工均匀性较好。相比齿轮与滚筒中心距齿面一点的加速度受转速的影响更为显著。(2)基于离散元法对滚筒内的颗粒和齿面接触颗粒的运动行为进行分析。发现齿面接触颗粒在两种加工方式中的运动形式可分为三个阶段,分别为颗粒流入阶段、颗粒稳定流入阶段和颗粒流出阶段,其中颗粒流入阶段和颗粒流出阶段颗粒运动速度快,颗粒数目较小,稳定流入阶段的颗粒运动速度小,但颗粒的数目多且基本保持恒定。(3)研究了不同工艺参数对旋流式和拖曳式滚磨光整加工齿面法向接触力、齿面沿轴向加工均匀性、齿面沿齿根到齿顶加工均匀性和齿轮的阴阳齿现象的影响,并对比两种加工方式存在的差异。研究发现:增大齿轮埋入深度和中心距可以在保持齿面加工均匀性的前提下显著增大齿面法向接触力,埋入深度增大75%,旋流式和拖曳式齿面法向接触力分别增大82.22%和58.98%,中心距增大55%,两者法向接触力分别增大117.91%和82.47%;增大滚筒或齿轮滚转转速对齿面法向接触力影响较小;在旋流式滚磨光整加工中齿轮与滚筒转向为同向时,齿面的阴阳齿现象有很大的改善;通过改变加工参数很难改善齿面沿齿顶到齿根受力不均匀的问题。拖曳式在中心距较小,深度较小时齿面法向接触力大于旋流式,而在中心距和埋入深度较大时,旋流式法向接触力大于拖曳式,而转速比、滚筒转速或齿轮公转转速对两者差异性影响较小。

关键词： 数据采集   SoC   FPGA   TCP/IP   Verilog  

摘要： 测头数据采集系统是CNC齿轮测量机测量系统的关键组成部分。本课题通过对现有测头数据采集系统存在问题进行分析,设计了一种可适应复杂多样测量任务的可搭载多类型测头的新型数据采集系统,并通过上位机软件对数据采集系统的基本功能以及数据采集的同步性、准确性和完整性进行了测试。本文重点研究了基于SoC型嵌入式系统的CNC齿轮测量机多类型测头数据采集系统的设计,主要包括SoC平台内部功能的设计和上位机测试与评估软件的开发。采集系统的开发在Vivado开发平台上完成,SoC系统内部的FPGA部分采用Verilog进行功能模块设计,实现SP80H测头倍频辨向计数和SP600Q及GT31测头信号的A/D转换控制、针对SP80H测头的信号滤波和针对SP600Q及GT31测头信号的中值平均滤波以及时间标签采集绑定、测头与采集系统状态监测、数据同步锁存发送等功能,通过Simulator仿真工具对各个模块功能进行仿真测试;ARM部分采用C语言进行程序编写,实现测头数据的标度变换、数据传输逻辑控制、以太网通讯等功能。两者之间采用SoC系统内部的高速AXI4协议总线实现数据交互,采用FIFO缓存器实现跨频域传输。上位机测试与评估软件使用C++编程语言在Qt平台开发,设计人机交互界面,实现与采集系统的网络通讯连接、测头数据接收、保存、显示、测头与数据采集系统的状态显示以及相关指令发送等功能。在完成测头数据采集系统及上位机软件的设计后,与三种类型测头进行联机调试验证。通过时间标签对数据采集系统传输数据的完整性进行了验证;在上位机测量与评估软件上进行网络通讯、状态监测、模式选取、数据采集等功能性测试;标定标度变换比例因子,测算线性度偏差并与原有测头采集系统进行对比,验证采集数据功能的可靠性。通过对上述测试结果的分析验证所研制的多类型测头数据采集系统可满足设计要求。