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： 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： 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。

关键词： 航空齿轮   疲劳试验台   模态分析   喷油润滑流场   温度场  

摘要： 以点蚀、轮齿折断为特征的疲劳失效已成为航空发动机齿轮传动系统中最常见的失效形式,受到多维域因素的影响,包括轮齿几何形貌、修形、热处理、材料参数、负荷、润滑剂等,疲劳失效的机理极为复杂。齿轮疲劳试验是研究齿轮疲劳失效行为最为有效的方法,对掌握齿轮疲劳失效机理、提升齿轮传动性能意义重大。目前,齿轮疲劳性能试验主要集中在中低速和中低温的条件下,而对于线速度高达50m/s、油温高达200℃的极端工况条件下的航空齿轮,现有试验条件下不能真实有效地测试出齿轮疲劳性能,高温高速疲劳性能试验方法与装备缺乏,造成航空齿轮疲劳寿命预测值与试验对比工作不系统、不全面,设计准则与实际工况偏离较大,因此,开展高温高速齿轮疲劳性能试验关键技术与装备的研究是提高航空齿轮可靠性与耐久性设计的关键。为此,本文以实现齿轮高温高速疲劳试验能力为目标,开展疲劳试验台方案分析与设计,并针对高温高速工况下的试验台寿命、高温等难点问题开展试验台关键技术研究,采用理论分析、数值计算和有限元仿真多手段结合的方法,验证、优化试验台传动系统,为高温、高速工况下的齿轮疲劳试验提供关键的理论支撑。本文主要的研究内容如下:(1)高温、高速齿轮疲劳试验台方案设计。在机械功率封闭、液压加载的构型基础上,开展了基于滑动轴承支撑的高可靠、长寿命疲劳试验台方案设计,提出了一种高低温多路独立润滑的试验齿轮箱结构;结合齿轮疲劳性能试验相关标准,提出了试验台、试验件的基本参数,完成各部件选型、设计,建立虚拟样机模型。(2)齿轮疲劳试验台模态及临界转速分析。探究了轴承刚度、轴长、支撑间距和轴径对转轴临界转速的影响,阐述了传动系统内的激振源,开展了传动系统内各高速转轴临界转速分析;开展了轴-轴承-齿轮传动系统分别在单、双齿啮合状态下和各箱体部件的模态分析,得到固有频率,对试验转速的设置提出合理的建议。(3)齿轮摩擦热流密度及风阻损失功率计算。在阐述齿轮啮合损失的基础上,开展了高速齿轮啮合点摩擦热流密度的计算;开展了齿轮风阻力矩仿真分析,并与理论计算结果对比、分析,为温度场提供边界条件。(4)试验齿轮喷油润滑流场与温度场仿真分析。开展了试验齿轮高温喷油润滑仿真分析;探究了油液粘度与对流换热系数的关系;将对流换热系数和摩擦热流密度作为边界条件,进一步开展齿轮本体温度场仿真分析,并与热网络法得到的结果做对比,验证仿真结果的可靠性;探究了扭矩对温度场的影响。

关键词： 船舶齿轮传动   行星齿轮   相位调谐   振动特性  

摘要： 船用行星齿轮传动装置是船舶动力系统的主要设备之一,但行星齿轮减速器运行时产生的振动不仅对自身的性能、安全造成影响,也是船舶机械噪声的主要来源之一。这一问题对船舶的生存能力构成了很大的隐患,也影响到使用性能的发挥,具有非同一般的意义,一直以来备受关注。减速器的振动来自于齿轮传动系统,本文在船舶动力系统减振降噪的背景下,基于啮合相位调谐理论,对船用行星齿轮传动系统进行了动力学第一类问题研究。利用理论分析、动力学建模与求解、齿轮箱振动测试试验等手段得到了船用行星齿轮系统啮合相位对振动响应的影响规律,并以实际系统参数为例,提出了较优的相位调谐方案。本文的主要内容如下。首先,结合集中参数法和广义有限元理论,研究了人字齿轮的建模方法,以此为基础将人字齿行星齿轮系统进行了离散和简化,考虑了系统中轴类构件的柔性,得到力学模型;考虑每个构件6个方向上的自由度,通过建立坐标系、分析运动和受力情况,推导了人字齿单级、两级系统动力学微分方程组的结构形式。其次,根据行星齿轮系统的几何结构特征,结合齿轮啮合的基本原理,利用齿轮啮合时变接触线长度定义了啮合相位;引入相位系数对其进行描述,并分析了计算方法;对作用在中心构件上的动态啮合力进行了分析,定性分析了啮合相位与激励模式之间的解析关系;而后,针对人字齿单级行星齿轮系统,利用ROMAX软件计算了系统的自由振动和受迫振动响应。通过对自由振动响应的分析,得到了系统固有特性的分布规律,总结了系统模态的主要模式;通过分析中心构件的受迫振动响应情况,总结了响应的模式,并得到了“啮合相位-激励模式-响应模式”之间的对应关系;通过受迫振动响应与激励和固有特性模式的比较,分析了系统的共振规律;结合齿轮箱振动测试试验对理论研究进行了验证。最后,计算了人字齿两级串联行星齿轮系统的激励和自由振动、受迫振动响应,分析得到了两级系统的固有特性,以及“啮合相位-激励模式-响应模式”之间的对应关系,总结了各激励模式下的响应规律。指出了两级串联系统的相位调谐可转化为分别对第I、II进行调谐,并针对系统原始设计制定了较优的调谐方案。

关键词： 螺旋锥齿轮   齿面接触分析   热弹流润滑   滚动接触疲劳  

摘要： 作为许多动力传动系统的关键组成部分,螺旋锥齿轮广泛应用于汽车驱动桥、航空减速器等工业传动系统。不同于一般的渐开线直齿轮,螺旋锥齿轮的齿面几何和运动特性极其复杂。这为实现高精度传动、高使役性能的先进锥齿轮传动关键技术突破带来挑战。在传统的螺旋锥齿轮接触强度设计方法中,其理论基础主要是基于光滑表面的Hertz接触理论,忽略了润滑效应和表面形貌、硬度梯度、残余应力等表面完整性参数的综合影响。然而现代高性能锥齿轮设计已经不再满足于单独考察齿轮啮合宏观接触性能,开始向着综合考虑润滑效应和齿轮表面完整性参数共同影响的微观接触性能评价发展。因此本文以磨齿加工的螺旋锥齿轮为研究对象,聚焦于疲劳寿命计算与疲劳失效风险评估的接触疲劳性能评价,探讨了螺旋锥齿轮传动的宏微观接触性能评价体系,为高性能锥齿轮接触性能评价提供了新的思路。本文的主要研究内容包括以下几个方面:(1)利用螺旋锥齿轮磨齿加工虚拟仿真实现磨削齿面精确建模,并进行考虑安装误差的宏观接触性能评价。为了定量考察安装误差与接触性能的关联规律,采用Pearson相关系数法分析安装误差与接触性能的相关性。基于齿面接触分析结果,为后续的弹流润滑分析提供几何参数、运动参数和载荷参数。(2)充分考虑螺旋锥齿轮特殊的运动特性,开展考虑卷吸夹角影响的等温弹流润滑分析。采用DC-FFT算法高效求解表面弹性变形,基于分离流量法构造了油膜压力的显式迭代式。针对齿面接触分析的四种载荷工况,研究了各自的润滑特性,最后分析了转速和润滑油粘度对润滑特性的影响。(3)在等温弹流润滑的基础上进一步考虑热效应和非牛顿效应的影响,建立了螺旋锥齿轮的非牛顿热弹流润滑模型。分析了四种载荷工况下的压力、膜厚、温度和摩擦系数变化,研究了热效应和非牛顿效应对润滑性能的影响。为了更好实现微观接触性能评价,对比了磨削和喷丸形貌对润滑性能的影响。研究结果表明,磨削形貌的润滑状态为混合润滑,喷丸表面则是边界润滑与混合润滑并存。(4)建立综合考虑润滑效应和表面完整性参数的螺旋锥齿轮接触疲劳性能评价模型,对实测残余应力、硬度梯度进行数学表征,应用ABAQUS二次开发技术实现有限元模型快速建模。考虑到材料点经历的非比例应力变化,采用修正Dang Van准则进行接触疲劳性能评价。对比了磨削和喷丸强化处理对接触疲劳寿命的影响,结果表明喷丸强化后的疲劳寿命提升了近30%。探究了表面硬度、有效硬化层深度和喷丸强化残余应力分布形式(最大残余应力、最大残余应力出现深度)对失效风险的影响规律。本文提出了一种适合于螺旋锥齿轮传动的非牛顿热弹流润滑模型,并基于弹流润滑结果实现了考虑表面完整性参数的接触疲劳性能评价。定量分析了安装误差对宏观接触性能的影响,综合两种表面形貌下的微观接触性能,最终实现了高性能锥齿轮传动宏微观接触性能评价。图98幅,表11个,参考文献99篇

关键词： 低速重载齿轮   不对中误差   有限元分析   齿轮疲劳试验   疲劳寿命预测  

摘要： 低速重载渐开线齿轮作为大型传动系统的关键构件,广泛应用于建筑、能源、冶金、航空等需要传递较高扭矩的工程领域之中,在上述领域工作过程中,齿轮通常会承受较大的倾覆力矩、瞬时冲击应力,这会导致齿轮出现不对中误差,影响齿轮的动态特性,进而使齿轮的疲劳寿命降低,齿轮的疲劳破坏又会使整个齿轮传动系统失效,造成难以估量的损失。因此研究不对中误差对齿轮疲劳损伤特性的影响规律,对提高齿轮的疲劳寿命预测精度具有实际工程价值。分析不对中误差对齿轮受载大小、方向和载荷分布的影响,基于能量法建立起一种能考虑不对中误差的齿轮啮合刚度计算模型,通过不对中误差下的齿轮啮合刚度变化和齿轮线载荷的变化,分析不对中误差对低速重载渐开线齿轮动态特性的影响。通过有限元法研究低速重载渐开线齿轮的动力学特性,施加约束、载荷等条件后,建立起精确的不对中齿轮有限元模型,基于隐式动力学算法对存在不对中误差的齿轮进行瞬态动力学仿真计算,分析由不对中误差所引起的,齿轮在啮合过程中的动力学特征变化,并为求解齿轮疲劳寿命提供依据。设计加工得到与低速重载渐开线齿轮相近的试验齿轮,以单向脉动循环的方式对齿轮高频加载,基于成组法,进行齿轮疲劳试验,通过统计学理论处理试验齿轮在不同应力水平下的疲劳寿命数据,得到描述齿轮可靠度、应力、寿命关系的P-S-N曲线。以经过雨流法和Goodman准则进行应力修正后的齿轮瞬态动力学仿真结果为研究对象,基于齿轮P-S-N曲线,依据名义应力法和线性累计损伤理论,计算不对中齿轮疲劳寿命,分析寿命变化,研究不对中误差对低速重载渐开线齿轮疲劳特性的影响规律。