关键词： 螺旋锥齿轮   CNC齿轮测量机   遗传算法   模拟退火算法   ICP算法   Horn算法  

摘要： 螺旋锥齿轮具有传动平稳、传动效率高、承载能力强的优点,在机械传动领域中有着不可替代的作用。然而,螺旋锥齿轮齿面形状复杂,加工困难,其在运转过程中产生噪声的大小及运转平稳程度又严重影响着整个机器的性能参数,所以提高螺旋锥齿轮制造质量和检测精度极其重要,其中有效的检测数据是控制齿面加工质量的关键。CNC齿轮测量机作为目前主要的齿轮测量设备,可以实现螺旋锥齿轮高效、准确的测量。但测量机机械结构复杂、对测量环境敏感度高、测量过程中被测齿轮设计基准与测量基准不重合等因素的存在将导致测量误差的产生。所以本文对螺旋锥齿轮的坐标测量方法进行分析,在获得齿面测量数据的基础上,提出基于齿面配准技术的螺旋锥齿轮齿面测量误差的软件补偿方法。本文结合齿面测量点云特征,依次建立了基于改进Horn算法、point-to-point ICP算法和point-to-plane ICP算法的测量齿面配准模型,并分析各个模型存在的局限性。针对这些算法模型搜索路径单一的缺点,提出以遗传算法为主体,将进化算法与配准算法相结合,利用欧拉角与刚性变换矩阵的对应关系,将刚性变换运动参数转化为六维的遗传染色体。并针对遗传算法运行结果不稳定、对初始化种群要求高、易于陷入局部最优的缺陷,提出对其初始化方式和搜索过程进行改进。该改进过程中结合配准算法对种群生成空间进行限制,通过反向学习策略对遗传初始种群进行筛选,同时利用自适应策略、模拟退火算法对遗传搜索过程进行扰动,避免陷入局部最优。螺旋锥齿轮齿面测量误差的补偿实验证明:改进遗传算法误差补偿模型可将测量齿面与理论齿面对应点间的平均误差从9.45μm降低致2.36μm,误差补偿率可以达到74%左右。相较于Horn算法补偿模型具有较快的收敛速度和较好的误差补偿效果,相较于ICP算法补偿模型具有较强的搜索能力,该模型为接触式测量得到的有序点云的误差补偿提供有效手段。

关键词： 齿轮齿条机构   耐久性试验   有限元分析   疲劳耐久性寿命分析   耐久性寿命因素  

摘要： 对于飞机机械机构来说,不仅要其满足最大应力设计,而且对于疲劳寿命有更加明确的要求。疲劳耐久性寿命的设计已成为飞机机械结构的重要考虑因素。通过理论计算来评定飞机结构疲劳耐久性寿命的误差较大,针对飞机缝翼上的齿轮齿条机构,采用现代疲劳耐久性工程方法——少量疲劳仿真技术加大量试验数据相结合,对某型号飞机缝翼齿轮齿条机构疲劳耐久性寿命分析开展研究工作,具体内容如下:(1)分析缝翼齿轮齿条的受力情况和运动时的应力变化,介绍了疲劳耐久性寿命的理论基础和一般分析方法。针对缝翼齿轮齿条机构采用现代疲劳耐久性工程一体化方法,由于它既有试验法的可靠性也包含着有限元的灵活性、可设计改进性,有利于评定缝翼齿轮齿条疲劳耐久性寿命。(2)对某型号缝翼齿轮齿条机构进行仿真分析,进行缝翼齿轮齿条机构建模,缝翼齿轮齿条静力学、动力学有限元分析和疲劳耐久性寿命分析。静力学疲劳寿命分析施加齿轮极限扭矩和最大应力与疲劳寿命之间关系;动力学疲劳寿命分析动摩擦系数和齿轮转速对疲劳耐久性寿命的影响。(3)进行飞机缝翼齿轮齿条疲劳耐久性试验,通过测试方案设计,测试硬件(应变片和应变测试仪MX1615)、测试软件(CATMAN)数据采集得到疲劳耐久性应变数据;通过试验数据分析处理三个模块:图像数据编辑、探测并清除毛刺、应变数据转化应力数据得到疲劳寿命分析应力数据;将试验分析处理的应力数据进行疲劳耐久性寿命分析,研究影响疲劳耐久性寿命因素,进一步通过反求寿命法得到施加齿轮最大扭矩。通过上述研究缝翼齿轮齿条机构疲劳耐久性寿命,可以得出静力学、动力学疲劳寿命仿真均达到设计要求,即满足缝翼齿轮齿条机构轮齿的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度设计要求。通过分析处理的四组试验数据经过疲劳寿命分析得出缝翼齿轮齿条满足设计寿命要求;进一步研究影响疲劳耐久性寿命因素:动摩擦系数、表面粗糙度、齿轮转速、施加载荷、表面处理方式。同时验证建模仿真分析及研究影响疲劳寿命因素的可行性,为缝翼齿轮齿条的加工设计提供了理论依据。

关键词： 超高强度   屈服强度   残余奥氏体   碳化物   旋转弯曲疲劳   夹杂物尺寸  

摘要： 随着航空工业的快速发展,航空发动机推重比不断提高(15-20级),对轴承材料的强度和服役条件提出了更高的要求。高Cr型Cr-Mo-V系轴承钢(CSS-42L为代表的第三代轴承钢)具有高强耐热和高表面硬度性能,在未来航空轴承钢的应用极具竞争优势,然而目前国内对该类型钢种的系统研究较少,尤其在合金元素Cr、Ni等对该类型钢种强韧性能影响规律及机理研究。本论文基于高Cr型Cr-Mo-V系轴承钢,研究合金成分Cr、Ni含量对其组织和性能的影响,利用SEM、TEM、XRD等手段,对微观组织进行表征;利用拉伸、硬度、冲击等性能试验,研究Cr、Ni含量(13.5%Cr、10%Cr/2%Ni、8%Cr、4%Ni)对力学性能的影响;同时,研究了500℃保温时间对优化Cr、Ni含量后试验钢的性能影响。研究了4%Ni含量试验钢旋转弯曲疲劳性能,揭示其裂纹萌生及扩展机理。不同Cr含量对试验钢强度及韧性的影响研究结果表明:随着铬含量降低,试验钢的强度升高,抗拉强度和屈服强度分别提高了约113 MPa和344 MPa;经不同温度固溶处理,13.5Cr试验钢的屈服强度连续降低较为明显,10Cr试验钢和8Cr试验钢的屈服强度变化较小;微观组织观察发现,铬含量降低,组织中的碳化物含量增多,残余奥氏体含量减少,10Cr钢和8Cr钢残余奥氏体含量仅为1.34%、0.3%,残余奥氏体减少和碳化物增多使钢的强度升高。不同Ni含量对试验钢强度及韧性的影响研究结果表明:镍含量的增加,试验钢的屈服强度明显降低;通过不同温度固溶处理,含4Ni钢的屈服强度呈降低趋势变化,从1040℃固溶处理时的1670 MPa降低至1080℃的1459 MPa;观察微观组织发现,4Ni钢中析出相含量比2Ni钢(同10Cr钢)中析出相含量高;残余奥氏体含量随着Ni含量的增加而增加,导致屈服强度降低主要原因;Ni含量增加钢的韧性增加。在500℃进行不同时间保温处理,测试性能结果表明:保温时间延长,13.5Cr钢和4Ni钢的抗拉强度略有升高,冲击吸收能量随着保温时间增加变化较为敏感,13.5Cr钢在时效2 h时至48 h减低了50.4%,4Ni钢在时效2 h至时效48 h降低了33.8%。随着保温时间的延长,可以明显的观察到纳米级析出相,保温至48 h时,试验钢中的析出相团簇现象明显形成,尺寸已经长大至约为26.36 nm,团簇可以有效的钉扎位错,从而使得钢的强度升高。保温时间的延长,大量晶界和晶内的析出相沉淀,促进了解理断裂,导致冲击吸收能量随着保温时间的延长而降低。4Ni钢的室温旋转弯曲疲劳极限强度为1020 MPa。通过对断口的观察分析,结果表明,材料对表面缺陷敏感,表面起裂占60%;特别是在1120～1200 MPa应力下,主要以表面起裂为主。夹杂物的尺寸及位置对疲劳寿命的影响较大,应尽可能的减少数量及尺寸大小。

关键词： 磁力齿轮永磁同步电机   磁场调制   特性分析   电磁振动噪声   多目标优化  

摘要： 磁力齿轮永磁同步电机(Magnetic Gear Permanent Magnet Synchronous Motor,MGPMSM)是一种新型的减速直驱电机,它基于磁场调制统一原理满足转子低速直驱的性能要求,在新能源汽车轮毂电机领域具有广阔的应用前景。为进一步提高MGPMSM的综合性能,本文设计一台外转子磁力齿轮永磁同步电机,对其展开特性分析和优化设计,主要针对MGPMSM的参数设计、电磁特性、不平衡磁拉力(Unbalanced Magnetic Pull,UMP)特性、电磁振动噪声和优化设计等方面进行研究。 首先,基于电机气隙磁场调制统一理论,分析调磁块的磁场调制行为。研究MGPMSM的拓扑结构和工作原理,根据设计任务指标,初步确定电机的主要尺寸和关键参数,为后续的优化设计节约时间。 其次,根据初步设计所确定参数建立有限元模型,研究MGPMSM电磁特性。采用解析法得到MGPMSM的空载气隙磁密分布,并通过有限元模型验证。分析了电机的齿槽转矩、空载反电动势、负载转矩特性和绕组电感等性能指标,结果均满足设计要求。研究影响转子齿槽转矩的主要因素,得出增大永磁体极数和调磁块数的最小公倍数可以有效降低齿槽转矩幅值的结论。 再次,利用相位调谐法研究转子不平衡磁拉力UMP,得到其相位调谐表,选取永磁极对数与调磁块数的最大公约数大于1的组合可有效降低转子UMP幅值。通过研究转子UMP幅频特性可知,其空间阶次等于永磁转子极对数,幅值较高谐波频率为驱动电流频率偶数倍。对不同传动方式的转子进行模态分析和谐响应分析,得到转子的固有频率和振型以及可引起转子产生共振的频率取值,在初始参数选择时应尽量避免与之接近。 最后,根据MGPMSM传动特点,围绕提高永磁转子输出转矩和降低调磁环转矩峰峰值,对其进行多目标优化设计。确定把永磁体的磁化高度、极弧系数、调磁块厚度、调磁块倒角半径和调磁环开槽率作为优化变量,以增大永磁转子输出转矩和减小调磁环转矩峰峰值为优化目标。采用田口法筛选出对优化目标影响较大的优化变量,基于响应面法得到拟合函数方程,利用Plat EMO多目标优化平台中的多目标优化算法,实现基于参考点的非支配排序自适应遗传算法对MGPMSM的多目标优化。优化结果表明永磁转子输出转矩增加了3.1%,调磁环转矩峰峰值降低了23.94%,较好实现了多目标优化目的。本文共有图44幅,表19个,参考文献68篇。

关键词： 自振特性   时变啮合刚度   振动特性   分岔与混沌   Lyapunov指数  

摘要： 齿轮传动广泛应用于工业化机器中,目前正朝着高精密、大功率、优性能的趋势发展。齿轮传动系统的振动特性将直接影响机械系统或装备的可靠性与稳定性。 本文首先针对具有集中质量、时变参数的模型,提出基于Monte Carlo模拟的齿轮系统自振特性不确定性分析方法。基于此方法得到固有频率区间可信度更高,有利于人为避开共振区。对应的振型可帮助辅助判断在此激振频率附近工作的机器内部薄弱的部分,作为加固相关零部件的线索。研究指出,啮合刚度的变化仅对系统的第14阶固有频率有较为明显的影响,因此可以认为具有时变啮合刚度的齿轮系统共振区仍限制在清晰且狭窄的区域内,也从反面论证此研究并非徒劳。进一步考虑误差和双齿接触区的载荷分配,结合势能原理与接触分析等力学理论深入探究了啮合刚度与啮合位置或时间的映射关系。本文的方法是在势能法的基础上进行校正,校正后的结果与有限元方法得到的结果高度吻合,验证了本算法的有效性与准确性。在此基础上,综合考虑多参数激励,建立了计及齿轮质量偏心、齿侧间隙、啮合刚度和啮合误差的六自由度非线性扭转振动模型。采用Runge-Kutta法求解系统的运动微分方程,以动态啮合力(DMF)和动态传递误差(DTE)两个指标评价传动性能。研究表明,啮合误差的随机波动使得系统的DMF和DTE同样也出现波动,谐波成分增加,甚至检出连续频率成分;随着啮合误差波动量增加,DMF和DTE的波动幅度变大,系统会出现脱啮、齿背接触的冲击行为。齿侧间隙对DMF和DTE同样会造成影响,选择合适的齿侧间隙大小能够补偿变形等。最后,根据系统的动态响应,结合时间历程图、相图、分岔图和Lyapunov指数等数学工具剖析了系统振动的稳定性。研究表明,随着分岔参数的改变,系统可能呈现周期运动、拟周期运动或混沌这几种不同的运动状态。前瞻性地分析了齿轮质量偏心与啮合误差高次谐波分量对分岔特性的影响,结果显示二者对于振动的幅度的影响较小,但若不加以控制,对稳定性具有不可磨灭的效果。另外经研究发现,特定啮频下处于混沌的系统,在齿侧间隙改变时仍有回归周期运动的可能。在实际工程中,可以有针对的选择参数,避免齿轮系统进行无规则的振动。

关键词： 渐摆线齿轮   啮合理论   承载接触分析   非线性动力学  

摘要： 精密减速器具有传动链短、体积小、功率大、质量轻和易控制等特点,广泛的应用于起重运输、矿山机械、冶金、电力和机器人等行业。摆线针轮少齿差行星减速器作为主要的精密减速器应用形式,其针轮齿廓齿形单一,几何可控性差,使得受制于齿廓齿形影响的齿轮副传动性能无法得到进一步提升。目前,围绕摆线针轮减速器传动性能优化开展的新齿形少齿差行星齿轮副研究是当前的热点之一。因此,本文从少齿差内齿齿形入手,提出一种新型渐摆线少齿差行星齿轮副,围绕其啮合理论建立渐摆线内齿几何成形原理、新型齿轮副基本啮合原理以及啮合特性分析模型。分析渐摆线少齿差行星齿轮副的承载传动性能,并就该新型少齿差齿轮副构建整机非线性动力学分析模型,分析其精密传动性能。 论文的主要研究内容如下: (1)基于摆线针轮的圆弧形内齿,将其作为基圆展成凸性渐开线,定义为渐摆线,以渐摆线左侧或右侧曲线作为少齿差内齿齿廓,通过摆线针轮的齿形设计参数(针齿分布圆半径、齿高、内齿齿数)定义渐摆线内齿。利用坐标变换,推导其齿廓方程,引入渐摆线内齿曲率调控参数,研究齿廓曲率的变化规律。根据相对运动包络原理与微分几何,推导渐摆线少齿差行星齿轮副的啮合方程、共轭行星轮方程、啮合线方程,分析其多齿啮合特性,建立渐摆线少齿差行星齿轮副基本啮合原理。推导内齿啮合界限计算方法,构建行星轮根切判定准则。建立齿轮副压力角、滑动率、诱导法曲率等啮合特性的分析模型,分析曲率调控参数对啮合特性的影响规律,研究渐摆线少齿差行星齿轮副的传动性能。 (2)基于齿轮共轭接触原理,建立包含齿廓修形的渐摆线少齿差行星齿轮副空载接触分析模型(TCA),根据力矩平衡与变形协调条件,建立其承载接触分析模型(LTCA),分析不同齿形、不同曲率调控参数下的齿轮副啮合间隙、扭转刚度、传动误差、啮合齿数与齿对啮合力等承载传动性能结果。 (3)以N型渐摆线少齿差行星传动为分析对象,通过渐摆线少齿差行星齿轮副LTCA分析方法,计算传动周期内的扭转刚度与时变啮合间隙,基于集中参数法建立其非线性动力学分析模型,利用拉格朗日函数推导系统动力学微分方程,通过四阶龙格库塔求解传动周期内输入轴、行星轮、输出盘的动态响应并计算整机传动误差,分析N型渐摆线少齿差行星传动的精密传动性能。

关键词： 非圆齿扇   齿面模型   接触疲劳强度   有限元分析   ANSYSACT开发  

摘要： 汽车转向器摇臂轴非圆齿扇齿条副是一种空间交错轴传动,常采用变传动比形式，其摇臂轴齿扇为锥面等高齿，从大端到小端根切逐渐严重，导致使用中小端部分常有磨损严重甚至断齿等现象。目前关于摇臂轴非圆齿扇的强度设计分析几乎都建立在大端平面上进行静态强度校核，将空间问题简化为平面研究，缺乏非圆齿扇齿条副空间动态啮合分析理论方法。为此，本文从齿轮啮合原理出发，研究非圆齿扇空间齿面模型，从理论计算与有限元分析两个角度研究齿面接触应力变化情况，开发摇臂轴动态啮合参数化仿真软件，预期为提高摇臂轴齿面接触强度提供理论方法与设计工具，为企业提供摇臂轴设计指导。主要内容有：　　根据齿轮啮合原理，推导非圆齿扇齿面方程并建立三维数字化模型;对非圆齿扇齿面的瞬时接触线、啮合轨迹和啮合线进行可视化仿真;分析几何参数对瞬时接触轨迹的影响，给出避免齿扇产生根切的几何参数：切削深度、切削角与齿宽的选取范围。　　研究非圆齿扇齿面主曲率与主方向的变化规律并进行可视化;利用经典赫兹公式推导齿扇齿面接触应力方程，分析几何参数对齿扇齿面接触应力的影响;提出改善齿面失效的几何参数选取范围，为后续有限元分析计算提供了理论依据与参考数据。　　利用ANSYSWorkbench有限元软件对非圆齿扇齿面动态啮合情况进行仿真与分析;获得摇臂轴非圆齿扇齿面的动态接触应力变化情况并将其与理论计算对比，结果表明二者变化趋势相同，最大应力值误差在10%以内，验证理论分析结果的准确性;研究齿扇模数m与整圆齿数Z对齿面动态接触应力的影响。　　基于ANSYSACT模块开发摇臂轴非圆齿扇齿条副动态啮合仿真软件，实现摇臂轴非圆齿扇从设计到三维建模再到有限元分析的全流程参数化与模块化;经试验验证和结果对比后有效，提高摇臂轴的设计与仿真的效率。　　综上所述，本文的研究工作展示了汽车摇臂轴非圆齿扇齿条副的齿面动态啮合情况，其研究内容与方法将对解决摇臂轴磨损与断裂问题和改善摇臂轴设计方案具有理论指导意义与实际工程应用的价值。

关键词： 新能源汽车齿轮箱制造企业   竞争策略   科技创新   专利分析  

摘要： 2023随着三年疫情的落幕，居民消费指数明显提升，各大产业迎来复苏，其中汽车产业是人民物质生活越来越好的消费品代表，而对于原油进口和环境问题的日渐严峻，新能源产业势必是各国未来发展方向的重中之重。早在2020年国务院发布的五年规划，关于新能源汽车产业发展的十五年规划就定调，我国从汽车大国向汽车强国的转变关键就在于新能源汽车领域的发展，不仅是推动绿色发展，更是应对气候变化的战略举措。但在新能源汽车领域，我国仍有产业生态不全面、基础装备设施落后、质量保障系统不完善、尤其是核心技术创新能力较弱等问题。核心技术创新能力即对于知识产权拥有量和知识产权运营能力起步晚于发达国家，所以国内外企业有较大差距。专利分析不仅将新能源、汽车等重要产业与齿轮箱、智能中控等核心装备领域的科研成果转化为最佳经济效益、形成创新策略的总体性规划、站在科学肩膀上洞察市场，还可以强化分析运用与关键核心技术保护的增效作用，让专利情报起到提升产业竞争优势和加强自主知识产权保护的作用。本文通过对新能源汽车齿轮箱领域的专利数据挖掘分析，为国内企业在今后施行创新战略与竞争策略时提供关键指引。　　本文以新能源汽车齿轮箱领域为研究对象，利用专利数据分析法和熵权法，对国内外新能源汽车齿轮箱领域专利进行了研究。全文共分为六部分，第一，提出当前研究背景，指出国内外就新能源汽车齿轮箱领域、专利分析的研究现状，由此指出对于研究的必要性即理论与现实意义;第二，介绍本文所使用的两种重点研究方法，详细解释专利分析方法和熵权法的概念，并对三种基于数理统计模型的绩效评价方法进行对比，总结熵权法在本研究中的优势，并列出使用熵权法的七个步骤，支持了后文的理论研究;第三，通过智慧芽全球数据库，采用IPC关键技术词对全球新能源汽车齿轮箱领域进行专利数据挖掘检索，将专利相关的指标，例如申请趋势、重要申请人、专利的法律状态等，通过数据图进行可视化的展示并加以分析;第四，选取新能源汽车齿轮箱领域排名前五的国内外重点企业，在专利整体概况、不同地区分布情况、技术重点方向、专利社会收益和创新战略五个层面，对该领域专利状况进行对比分析，并以数据图的形式展示，发现重点企业在该领域不同竞争方向与策略。进一步通过熵权法的应用运算，从重点公司规模、技术水准、竞争能力三个方面构建技术评价模型，从评分结果中分析重点公司对该领域的发展特点;第五，通过前文的数据和对比分析，为国内新能源汽车齿轮箱企业总结专利布局建议和创新策略，利用专利使企业在竞争中提高核心能力，提供相关借鉴价值;第六，总结与展望。

关键词： 弧齿锥齿轮   磨削接触区   热流分布   温度场  

摘要： 弧齿锥齿轮传动系统因为运转平稳、承载高等优点在交通运输、装备制造等众多领域中有着广泛的应用。弧齿锥齿轮作为装备中的关键零部件,行业其精度、可靠度等指标的有着较高要求,通常需要数控磨削作为最后的精加工工艺。但是弧齿锥齿轮齿面及其磨削成形存在运动复杂、砂轮线速度大等特点,容易在磨削过程中出现工件温度过高的现象,并可能进一步导致齿面产生烧伤等缺陷。因此,本文针对以上问题,对弧齿锥齿轮磨削加工中磨削温度场问题开展研究,提出了一种弧齿锥齿轮磨削温度场计算方法,从而实现磨削齿面加工过程的温度预测,为磨削工艺的改进提供基础。本文基于解析与数值法相结合的思想,综合运用齿轮几何理论、金属切削理论和偏微分方程数值解法完成弧齿锥齿轮磨削温度场计算方法的研究。首先,基于齿轮啮合理论搜寻磨削过程的接触区。然后,从切片法思想出发,将三维接触区离散,从而利用二维磨削生热模型进一步发展热流密度计算方法。接着,利用有限元方法,发展了磨削过程中的温度场方法。最后,基于本文的磨削温度场计算方法,分析了不同工艺参数对弧齿锥齿轮磨削加工过程温度场的影响。具体研究内容如下:(1)根据弧齿锥齿轮磨削加工原理,分析砂轮与工件的相对运动状况;确定了基于展成法加工时所使采用的砂轮几何形状以及基于成形法采用的砂轮几何形状,并且根据成形法的特殊情况分析了采用瓦古力机构的砂轮与工件的相对运动状况。(2)根据齿轮啮合原理,推导出弧齿锥齿轮齿面方程,并确定了其齿面范围,通过离散化获得齿面散点图,完成弧齿锥齿轮齿面建模;另外,在齿面方程的基础上利用巴克斯特公式求解任意啮合处及其附近区域的相关几何、砂轮与工件的运动参数。(3)对于展成法加工弧齿锥齿轮,利用拟合曲面理论、确定弧齿锥齿轮磨削加工瞬时接触线上任意一点的磨削接触区分布,并根据磨削深度的不同得出其磨削接触弧长;对于成形法加工弧齿锥齿轮,根据瓦古力机构的运动轨迹,确定加工过程中每次磨削接触时的磨削深度,得到不同时刻下磨削接触区的磨削状况。(4)基于磨削原理,建立单粒—平面磨削力模型;分别计算了展成法和成形法加工过程中的磨削力。基于Jaeger移动热源结合三角形热源分布状况,根据热分配比求得弧齿锥齿轮磨削热源分布状况和热流密度大小。(5)基于传热学理论,采用有限元方法,计算出弧齿锥齿轮全过程温度场的分布状况,并根据计算结果和烧伤临界值确定烧伤区域,并将其进行证验证;另外,研究了磨削深度,磨削速度,进给速度等因素对磨削温度场的影响。