关键词： 20CrNiMo齿轮钢   渗碳   激光冲击   复合表层改性   弯曲疲劳性能  

摘要： 齿轮是高铁、汽车、飞机等高端装备中的关键传动构件。在服役过程中,齿轮齿根易受到冲击应力和交变弯曲应力,常因韧性或弯曲疲劳性能不足,而发生过早断裂。低碳合金齿轮钢具有高强韧性,耐冲击,但其硬度低,在齿轮应用中需对其进行渗碳相变强化处理。随着现代工业的发展,单一渗碳相变强化处理的齿轮无法满足高端装备服役寿命需求,利用复合表层改性对齿轮进行抗疲劳制造是提高其疲劳性能的有效手段。为此,本文以20CrNiMo齿轮钢为研究对象,先对20CrNiMo齿轮钢渗碳相变强化处理,再对其复合高能激光冲击应变强化处理,研究了复合表层改性对20CrNiMo齿轮钢表层性能和弯曲疲劳性能的影响,并揭示复合表层改性对20CrNiMo齿轮钢弯曲疲劳性能改善机制。研究结果可为20CrNiMo齿轮钢的复合表层改性工艺提供理论参考。本文主要从以下几个方面展开研究:（1）20CrNiMo齿轮钢复合表层改性理论分析。首先,分析了相变强化20CrNiMo齿轮钢渗层碳浓度和硬度梯度与渗碳工艺参数的数学模型,为渗碳工艺参数的选择提供理论依据;其次,通过对激光冲击压力峰值和20CrNiMo齿轮钢试样塑性变形理论分析,建立压力峰值与试样应变数学模型,获得激光冲击工艺参数合适范围;最后,分析了渗碳和激光冲击复合表层改性诱导残余压应力场和晶粒细化机理。（2）优化表层渗碳相变强化工艺参数。基于20CrNiMo齿轮钢相变强化理论分析,为了在试样表层获得1mm左右的有效硬化层深度,在强渗温度为930℃/碳势为1.1wt.%/强渗时间为45min/扩散温度为910℃/碳势为0.8wt.%条件下,分别进行扩散时间为50min、100min和180min的三组渗碳试验。结果表明:三组试样的有效硬化层深度分别为0.65mm、0.80mm、1.10mm;其中,扩散时间为180min时,试样表面显微硬度为740HV,表面残余压应力为-295MPa。（3）复合表层改性对20CrNiMo齿轮钢表层性能的影响。对比了渗碳、激光冲击和渗碳复合激光冲击三种工艺对20CrNiMo齿轮钢表层性能的影响,发现复合表层改性相比单一渗碳和单一激光冲击强化,其表层残余压应力和硬度均有显著提高,其表面残余压应力为-960MPa、表面硬度为845HV。复合表层改性先通过渗碳相变强化提高材料表层性能,再通过高能激光冲击强化,使得材料表层性能进一步提高,在材料表层获得了高残余压应力、高硬度和晶粒细化。（4）优化复合改性中激光冲击工艺参数。探索了不同冲击能量和冲击次数对渗碳20CrNiMo齿轮钢表层性能的影响。结果表明:在激光冲击能量为4J、冲击次数为2次时,相对于渗碳试样,复合改性试样表面硬度从740HV提高至958HV（提高29.5%）,复合改性硬度影响层深度约为400μm;表面残余压应力从-295MPa提高至-1300MPa（提高341%）,复合改性残余压应力影响层深度约为800μm;晶粒细化层深度约为28.8μm。（5）研究20CrNiMo齿轮钢复合表层改性的弯曲疲劳性能。对比渗碳试样和不同复合表层改性试样的弯曲疲劳性能,试验发现:在激光冲击能量为4J、冲击次数为2次时,其弯曲疲劳寿命较渗碳试样提高了5.25倍;复合表层改性使得试样疲劳源从表面转移至亚表面,有效提高20CrNiMo齿轮钢的弯曲疲劳性能。

关键词： 高速列车   故障诊断   机电耦合   牵引电机   定子电流   斜齿轮   齿根裂纹  

摘要： 齿轮作为高速列车机械传动系统的核心零件,其结构健康状态直接影响行车安全,因此,我国现行高速列车均已列装监测齿轮结构状态的在线检测系统。然而,目前基于温度信号和振动信号的列车齿轮状态在线检测系统尚存在虚警现象,影响列车正常运营。针对这一工程实际问题,本文提出基于牵引电机定子电流信号分析(Motor Current Signature Analysis,MCSA)的方法对高速列车齿轮结构健康状态进行实时监测,旨在补充现有温振型列车齿轮检测系统,降低在线诊断的假阳率。当下,我国高速列车牵引电机均采用三相鼠笼型感应电机。感应电机转子负载端的机械结构和动力学特性会以气隙磁场为媒介映射到牵引电机定子电流中,因此,可以基于MCSA实现对“感应电机-齿轮”传动系统的机械结构进行故障诊断。由于牵引电机定子电流是感应电机工作状态具有的属性,因此,基于MCSA的健康状态监测方法是一种无需额外安装传感器的状态监测方法,能克服基于温度和振动信号实时监测时加装传感器数量多、安装不便、数据传输困难等问题;另外,牵引电机定子电流信号不受传递路径影响,具有对测点位置不敏感的优点。 本研究建立高速列车驱动系统的机电磁耦合模型,研究高速列车齿轮健康状态与牵引电机定子电流信号之间的机电耦合定量关系,旨在从理论角度分析和讨论基于MCSA的高速列车齿轮裂纹故障诊断的相关问题。主要研究内容如下: (1)建立高速列车驱动装置的机电耦合分析模型。假设牵引电机磁场为无损耗的储能系统,考虑电机机组欧姆热耗,基于电路基尔霍夫定律和电磁麦克斯韦-安培定律,用四个电磁微分方程组描述了驱动装置电磁耦合关系;考虑牵引电机定子沉浮运动、牵引电机转子扭转运动、主动齿轮扭转运动、主动齿轮的沉浮运动、从动齿轮扭转运动、从动齿轮沉浮运动、轮对的沉浮运动以及驱动装置整体的前进运动,将高速列车驱动装置的机械部分简化为8自由度的“沉浮-扭转”振动分析模型。并基于电机台架试验和齿轮台架试验分别验证电气部分和机械部分的模型正确性。 (2)研究高速列车斜齿圆柱齿轮在健康工况下和齿根裂纹工况下动态啮合刚度的解析算法。为了定量描述高速列车主动齿轮在含有齿根裂纹工况下的动力学行为随啮合角位移的变化规律,将处于啮合状态的齿轮整体分割为啮合接触局部、齿轮齿体以及齿轮基体三个弹性体,分别借助赫兹接触理论模型、悬臂梁理论模型和Muskhelishvili弹性圆环理论模型分析其应变特性;最后,推导出齿轮分别在不含和含有齿根裂纹故障时的综合啮合刚度的解析表达。 (3)仿真分析齿轮健康工况下不同外部激扰对高速列车牵引电机定子电流动态响应特性的影响。首先,以含有6n±1阶谐波振荡的三相电压给牵引电机供电,研究谐波电压对牵引电机定子电流频域特性的影响;接着,将基于Davis形式经验拟合的某型高速列车动态运行阻力加载在轮对轴心上,研究列车运行阻力对牵引电机定子电流频域特征的影响;然后,以基于数值模拟的轨道高低不平顺激励列车轮对,研究轨道不平顺对牵引电机定子电流频域特性的影响;再者,将车轮多边形化不圆以车轮半径随角位移变化的形式加载在模型中,研究车轮不圆度对牵引电机定子电流频域响应的影响;最后,基于赫兹接触模型获得的轴承时变支承刚度,研究轴承垂向动态支承特性对牵引定子电流频域特性的影响。 (4)分析齿轮齿根裂纹故障工况下高速列车牵引电机定子电流的动态响应特性以及基于该机电耦合特性进行齿轮裂纹故障诊断的相关问题。首先,仿真分析不同齿根裂纹形态对牵引电机定子电流信号中齿轮故障相关频率分量幅值的影响规律;然后,研究不同轨道高低不平顺激励下,基于MCSA的高速列车齿轮裂纹故障诊断的信噪比分布;接着,对比分析齿轮裂纹故障相关分量在牵引电机定子电流、齿轮垂向振动加速度、齿轮瞬态角速度三种监测信号频谱中的辨识度,最后,研究了齿轮裂纹故障相关分量的提取算法。 本文采用理论分析、建模仿真和试验研究相结合的研究方法,通过对上述四个内容的研究,得到了以下三个基本结论: (1)齿轮健康工况下,考虑我国当下无砟轨道高低不平顺激扰,设置列车以300km/h匀速运行在的长直轨道上,基于本文建立的高速列车驱动装置机电耦合模型仿真获得的定子电流中:电机供电基波频率(fe)分量的电流幅值数量级约为102A,齿轮传动啮合相关频率(fm)分量的幅值数量级约为10-4A数量级。说明齿轮啮合相关的动力学信息可以反应在牵引电机电信号上,但牵引电机定子电流信号中齿轮啮合相关分量是微弱信号。 (2)齿轮故障(q=8,αc=90°)工况下,设置列车以300km/h匀速运行在的长直轨道上,分别不考虑轨道高低不平顺、考虑我国当下无砟轨道轨道不平顺、考虑我国早期既有高速干线轨道不平顺激励时,基于本文建立的高速列车驱动装置机电耦合模型仿真获得的定子电流中:齿轮故障相关频率(fg)分

关键词： 滚磨光整   航空齿轮   离散元   表面形貌   预测建模  

摘要： 通过滚磨光整工艺获得高表面完整性的齿轮具有重要意义,然而,对于需要更高表面完整性以适应愈发极端服役环境的航空齿轮,目前人们还没有掌握航空齿轮滚磨光整加工工艺参数与三维粗糙表面形貌之间的关联规律,这是齿轮光整加工工程应用中亟待解决的基础研究问题。因此,本研究以航空齿轮滚磨光整工艺为研究对象,对滚磨光整表面形貌与工艺参数的关联规律、滚磨光整表面形貌预测等开展研究。主要研究工作如下:首先,基于加工原理,对滚磨光整工艺过程进行了运动分析,建立了滚磨光整工艺离散元仿真模型,获得了滚磨光整表面磨粒的作用力、作用速度、作用数量变化,以及滚磨光整后齿面磨损量分布,为滚磨光整工艺表面形貌预测建模与实验提供理论基础。其次,对不同初始表面工艺和初始粗糙度的航空齿轮钢,通过单因素实验法进行了不同滚磨光整工艺参数(滚筒转速、工件转速、磨料种类、光整时间)下的滚磨光整加工试验,以三维表面形貌参数为评价参数,分析了滚磨光整表面形貌和工艺参数的关联规律,优选了工艺参数,得到了滚磨光整中表面形貌演变的基本规律。然后,建立了考虑初始表面形貌的滚磨光整表面形貌预测模型,通过与实验对比,形貌预测模型的粗糙度Sa值预测值与实验实测值最大误差为13.40%,验证了其有效性,并开发了滚磨光整表面形貌预测可视化软件。最后,基于优选工艺参数,进行了航空齿轮滚磨光整精加工实验,滚磨光整工艺显著改善了航空齿轮表面完整性,得到了平均粗糙度0.13μm的高表面完整性航空齿面,分析了滚磨光整加工前后航空齿轮表面形貌变化。本研究对航空齿轮滚磨光整工艺表面形貌进行了创新研究,分析了滚磨光整工艺参数与表面形貌的关联规律,建立了滚磨光整表面形貌预测模型,探讨了航空齿轮滚磨光整表面形貌变化,为航空齿轮滚磨光整工艺的预测与控制提供了理论依据和数据支撑,具有实际工程应用价值。图58幅,表14个,参考文献80篇

关键词： 齿轮   加工精度测量   双目机器视觉   同轴多环检测法  

摘要： 随着中国齿轮市场规模的持续扩大，齿轮产业已经成为中国机械行业中最大规模的产业之一，齿轮作为机械装备传动系统中的最主要的核心零部件，其传动性能取决于齿轮的加工制造精度，齿轮的加工精度决定着机械装备的运行性能。因此，齿轮测量技术是保证齿轮产品加工制造精度合格的关键措施。如何对齿轮产品进行快速检测，并满足极端环境下特种齿轮的检测及精密制造是当前的研究热点。传统接触式测量技术存易划伤齿面、损伤齿轮精度等不可避免的情况。因此，引入机器视觉技术来丰富齿轮行业的检测问题今后一个时期的研究方向。　　在江苏省盐城市“515”创新领军人才项目的资助下，基于机器视觉技术、计算机图形学、误差理论和统计学原理，以一对圆柱斜齿轮为研究对象，开展了高精度齿轮产品加工制造精度测量方法研究，提出了一套集齿轮表面三维误差测量、齿顶圆半径偏差和齿根圆半径偏差、齿厚偏差和齿距偏差等多个齿轮测量参数指标于一体的齿轮产品加工精度测量方法。　　主要研究内容如下：　　（1）构建出齿轮产品的三维点云数模。通过三维光学测量系统获取齿轮的局部三维点云数模，通过识别粘贴在齿轮表面上的标定点，利用经典的ICP点云配准算法，实现齿轮各局部点云数据高精度拼接，经过点云数据平滑处理，生成齿轮产品的高精度三维点云数模。　　（2）比对三维点云数模和CAD模型。将齿轮的点云数模与齿轮的三维CAD模型导入测量软件中，进行匹配对齐。在模型对齐的基础上首先对齿轮表面精度进行测量，根据测量结果的数值大小和矢量正负，赋予齿轮表面各区域不同的颜色，通过色谱图获得齿轮表面的误差分布，实现了齿顶面、齿根面、左齿面和右齿面的三维方向的表面误差测量，该结果可找出各表面误差的来源，为改善齿轮加工质量提供参考依据。　　（3）建立齿根圆半径偏差和齿顶圆半径偏差测量原理模型。通过该模型实现了齿顶圆半径偏差和齿根圆半径偏差的测量，该结果与齿轮测量中心的测量结果进行了对比分析，验证了提出模型的测量结果可靠性，分析测量过程中存在的问题，为后续的研究提出研判基础。　　（4）提出一种新型的齿轮齿厚偏差和齿距偏差测量方法-同轴多环检测法。该方法通过在齿轮轴向范围内等间距建立n个平面，以齿轮中心轴线与该检测平面的交点为圆心，以该齿轮的分度圆半径为半径，沿齿轮轴向建立n个检测圆，提取各检测圆与所有轮齿两侧齿面的交点，将各检测圆的圆心分别与各轮齿两侧的交点连接，实现了齿轮偏差和齿距偏差的精确测量。　　（5）对比实验验证。为了验证同轴多环检测法的可靠性，将待测齿轮在齿轮测量中心上进行齿厚偏差和齿距偏差的测量，验证了该方法的测量可靠性。　　上述研究，提出了一种基于双目机器视觉的齿轮多参数测量指标于一体的齿轮产品加工精度测量方法，经过实验验证，该方法具有良好的测量效果，对制造行业具有一定的应用价值和推广意义。

关键词： 齿轮传动系统   耦合故障   点蚀裂纹扩展   时变啮合刚度   动力学响应  

摘要： 由于风能的清洁和可再生性,风力发电得到越来越广泛的应用。齿轮箱是风电机组的重要机械部件,然而,工作环境复杂导致其故障频发且维修困难,因此对齿轮传动系统进行故障诊断具有重要的研究意义。齿轮故障机理研究是故障诊断的前提与基础,本文以齿轮传动系统为研究对象,求解齿轮在裂纹故障、点蚀故障及耦合故障情况下的啮合刚度,并分析系统在耦合故障下的动力学响应特性。本文主要研究内容如下:首先,分析齿轮在裂纹、点蚀单故障下的啮合刚度变化。针对齿轮基圆与齿根圆不重合的现象,提出相应的变截面悬臂梁模型,推导不同情况下的啮合刚度计算公式。构建沿深度方向直线扩展的裂纹故障模型,求解不同裂纹故障程度下的齿轮啮合刚度,比较分析裂纹深度及裂纹角度对刚度及其分量的影响。建立圆柱状的点蚀分布模型,通过改变点蚀半径、深度及个数来实现不同的点蚀程度,比较分析点蚀参数对刚度及其分量的影响。然后,基于齿轮裂纹、点蚀单故障啮合刚度的计算原理,建立点蚀-裂纹耦合故障模型。在改进势能法的基础上,根据裂纹与点蚀的关系,推导不同状态下啮合刚度的计算公式。求解不同故障程度下耦合模型的啮合刚度,研究裂纹程度一定时,具有点蚀扩展的耦合模型啮合刚度的演变规律。基于有限元法求解啮合刚度,并将改进势能法与有限元法得到的结果进行对比,验证耦合模型的有效性。最后,研究具有耦合故障的齿轮传动系统动力学响应。建立六自由度齿轮传动系统集中参数模型,针对不同故障程度下的齿轮啮合参数,求解得到系统的振动位移响应。分别从时域与频域角度分析故障信号特征,研究故障程度对信号频带的影响。对比仿真信号与实验信号,分析验证所建耦合模型的准确性。分析不同故障信号的时域指标变化,对比得到评价耦合故障的敏感指标。

关键词： 渐开线变齿厚齿轮   动力学   啮合刚度   啮合特性分析   传动试验  

摘要： 渐开线变齿厚齿轮作为一种新型圆柱齿轮,具有传动平稳、承载能力强、精度高、可自动调隙等诸多优点,在快艇、精密机器人、全驱动汽车等动力传递领域具有广泛的应用前景和明显的技术优势。然而,由于变齿厚齿轮特殊的齿面形状,致使其动态啮合行为十分复杂,严重制约了变齿厚齿轮的应用与发展。因此,对变齿厚齿轮的动态啮合行为进行系统分析已成为其应用发展中的关键问题。本课题以平行轴渐开线变齿厚齿轮为研究对象,采取理论计算、仿真模拟和传动试验相结合的研究方法,较为系统地分析了渐开线变齿厚齿轮传动系统的动态啮合特性。论文具体研究内容如下:(1)基于齿轮啮合原理和齿轮几何学,推导渐开线变齿厚齿轮齿面方程,利用齿面重构技术和离散化技术构建了较为精确的齿轮数字化模型,为后续分析奠定了研究基础;其次,采用ADAMS虚拟样机仿真软件建立变齿厚齿轮动力学仿真模型,探究动态啮合力在不同工况(阻尼、负载、刚度、转速)下的变化规律。(2)根据赫兹接触理论推导出改进后的接触应力和弯曲应力计算公式,分析不同设计参数对接触应力的影响;并利用有限元仿真软件建立了渐开线变齿厚齿轮承载接触模型,通过有限元加载分析,得到工作齿面上法向力与综合弹性变形量的变化规律。同时对时变啮合刚度、传动误差等时变激励特性展开研究,探讨几何设计参数对时变激励特性的演变规律;最后利用GUI界面设计功能,对变齿厚齿轮的设计及分析程序进行封装处理,得到变齿厚齿轮的设计分析系统模块。(3)通过弹性接触动力学相关理论,建立渐开线变齿厚齿轮啮合冲击模型,用于研究在不同转速和不同冲击位置下轮齿冲击应力和冲击合力的变化规律,以分析变齿厚齿轮啮合特性的分布情况。研究结果表明,随着转速的提高,冲击合力和冲击应力都表现出增加的趋势,但在不同冲击位置下,它们却呈现出相反的变化规律,这表明齿轮啮合冲击状态与转速、载荷及接触形式等因素有关。(4)依托五轴联动加工中心加工了齿轮的实体模型,并对加工完成的齿轮进行精度检测,通过点云数据与3D模型对比分析,以确保其加工精度;同时搭建渐开线变齿厚齿轮传动试验台,通过输入端的数据采集和输出端的数据分析,获得在不同转速下传动误差的变化规律。结果表明,试验结果与理论分析一致,从而验证了渐开线变齿厚齿轮的几何设计、传动特性及其相关理论研究的正确性。以上研究提供了渐开线变齿厚齿轮动态接触啮合特性研究的理论基础,可为轮齿的优化设计和工业应用提供了一定的科学参考依据。

关键词： 齿轮箱   多尺度   深度可分离卷积   故障诊断系统   边缘计算  

摘要： 机械设备关键零部件的健康状态监测对保证机械设备的安全运行以及生产效率的稳定有着重要意义。传统的基于无线传感器网络的机械故障诊断系统,通过将原始数据上传到PC端进行故障的在线诊断。然而,由于无线传感器节点在采集过程中需要有较高的采样频率,短时间产生的数据量呈指数级增长,加大了无线传输过程中的网络延迟,难以满足故障诊断系统的实时性要求。此外,传统的基于卷积神经网络的智能故障诊断方法,由于模型尺寸过大、对噪声的鲁棒性不足,限制了其在机械故障诊断中的应用。因此,探索研究一套轻量化深度学习故障诊断算法,并将其部署在无线传感器网络边缘节点,实现机械设备故障的边缘智能诊断,可以有效的提高故障诊断系统的在线诊断准确率、噪声鲁棒性以及实时性。本文以齿轮箱为研究对象,通过结合无线传感器网络、基于深度学习的智能故障诊断方法以及边缘计算,提出并构建了基于多尺度深度可分离卷积的齿轮箱故障智能边缘诊断系统,建立了基于共振解调的故障预诊断算法以及基于深度可分离卷积的多尺度智能故障诊断算法,实现了齿轮箱故障的边缘智能感知、智能诊断,并通过试验验证了系统的有效性以及故障诊断高准确性。本文的具体工作如下:(1)梳理了边缘故障诊断技术的研究背景以及意义,总结了国内外无线传感器网络、卷积神经网络、边缘计算在机械设备故障诊断的研究现状与发展,搭建了齿轮箱故障边缘智能诊断系统架构,以及一套具备高采样率、高A/D转换精度、良好计算能力、足够高速存储空间、优异功耗性能的硬件系统。(2)为了提高系统故障诊断准确率并降低系统功耗,提出了结合时域包络峰值与SPM法的基于共振解调的边缘端故障预诊断算法,并制定了相应的故障预诊断策略。通过齿轮箱故障试验,验证了预诊断算法和策略的有效性。(3)针对非平稳复杂工况下的多尺度信号特征提取效率低以及边缘智能故障诊断算法轻量化的要求,提出和设计了基于深度可分离卷积的多尺度故障诊断算法模型(MKDS＿1DCNN)。模型采用1×3、1×9、1×15三个不同尺寸卷积核大小的深度可分离卷积块,从多个尺度对故障特征进行提取。通过引入深度可分离卷积以及全局平均池化,大大降低了模型尺寸,并在公开的轴承以及齿轮箱数据集上验证了MKDS＿1DCNN模型具有准确的故障识别能力以及优异的噪声鲁棒性。(4)针对齿轮箱故障智能边缘诊断系统的功能需求,对边缘节点的数据采集、存储以及指令交互进行设计、开发,并通过X-CUBE-AI深度学习推理框架实现了MKDS＿1DCNN智能故障诊断模型的边缘端部署,将其成功部署在边缘节点STM32F405RGT6上,实现了边缘实时故障诊断。最后在自制齿轮故障模拟平台进行系统边缘在线诊断试验,验证了本文故障诊断系统的实时性和有效性。

关键词： 点接触   内啮合曲线构型齿轮   优化设计   接触应力   强度计算  

摘要： 齿轮是制造装备业和国防工业中极其重要的关键基础件。当前,我国航空航天、交通装备、新能源、武器装备等领域的飞跃发展,对传动部件及系统的承载能力、传输效率、功率密度、可靠性、环境适应性等提出了更高的要求。内啮合齿轮传动具有工作平稳、结构紧凑、重合度大、承载能力高、传动效率高等特点,广泛应用在行星传动机构中。然而,以渐开线齿廓为主的内啮合齿轮副多采取严格的变位设计来避免干涉问题,且其凸-凸齿廓接触形式在承载强度和传动效率等方面有待提高。因此,开展高性能内啮合齿轮传动设计具有重要的理论意义和应用价值。本文以双点接触内啮合曲线构型齿轮为对象,开展基本齿形设计与参数优化分析等研究,提出双点接触内啮合曲线构型齿轮成型理论与方法,分别建立双点接触内啮合曲线构型齿轮几何参数与齿形参数的优化模型,分析轮齿齿面优化前后接触应力状况,形成双点接触内啮合曲线构型齿轮强度计算方法,主要内容如下:(1)开展双点接触内啮合曲线构型齿轮基本齿形设计,建立凸齿小齿轮与凹齿内齿轮齿廓方程,确定基本齿廓主要参数(接触夹角、圆弧角度变化参数、抛物线参数等)的计算方法,运用螺旋运动法推导配对齿轮副的轮齿齿面方程,构建双点接触内啮合曲线构型齿轮三维模型,基于MATLAB软件编写点接触内啮合曲线构型齿轮设计软件。(2)开展以高强度、小体积为主要目标的基本几何参数优化设计,提出双点接触内啮合曲线构型齿轮多目标、多参数优化数学模型,确定基本设计变量,设定约束条件,建立多目标函数;采用计算机仿真手段,基于遗传算法开展轮齿基本几何参数优化,分析对比参数优化前后的双点接触内啮合曲线构型齿轮接触特性。(3)基于赫兹点接触理论,推导双点接触内啮合曲线构型齿轮的齿面接触应力计算方程,分析不同齿面压力角和齿面接触角对轮齿接触特性的影响,建立齿形设计参数与齿面接触应力的关联关系,探究几何、齿形参数对齿面接触椭圆的影响,根据分析结果给予齿面设计关键参数建议。(4)提出双点接触内啮合曲线构型齿轮的轮齿强度计算方法,采用正交试验法确定双点接触内啮合曲线构型齿轮试验参数,依据试验参数建立轮齿基本模型,并通过有限元分析方法获取相关数据;利用非线性回归分析方法,建立双点接触内啮合曲线构型齿轮齿根弯曲应力的计算公式;根据赫兹点接触理论,完善双点接触内啮合曲线构型齿轮齿面接触应力计算方法。

关键词： 格里森制螺旋锥齿轮   超精密加工   子口径化学机械抛光   工艺优化   双柔性抛光头  

摘要： 齿轮是各种机器中的重要零部件，常见的齿轮类型包括直齿轮、斜齿轮、直齿锥齿轮、螺旋锥齿轮和齿条等。其中螺旋锥齿轮是所有常用齿轮中最复杂的齿轮类型，常应用于非平行轴传动，广泛应用于汽车、轮船、矿山机械、航空航天和重载武器等高端装备中。在我国，格里森制螺旋锥齿轮的应用更加广泛。随着高端装备的升级迭代，传统的润滑技术已无法满足需求，为此，清华大学研究人员提出发展变革性的固液耦合超滑技术，改善润滑条件。超光滑基底对于固液耦合超滑实现至关重要，目前，我国螺旋锥齿轮的终加工技术为磨齿工艺，其加工原理为纯机械去除，齿面的表面粗糙度最低仅能降低至 0.4 μm，为此，本文针对传统加工技术的不足，发展新型超精密加工技术，提高齿轮齿面的表面质量，为固液耦合超滑的最终实现提供基础。　　本文旨在实现齿轮齿面的超精密加工。因此，为了克服传统加工技术的不足，提出将数控技术和化学机械抛光技术有机结合，发展一种子口径化学机械抛光技术，应用于齿轮齿面的超精密加工。本文所加工的齿轮类型为格里森制螺旋锥齿轮，材料为18CrNiMo7-6 齿轮钢。首先根据齿轮的抛光要求设计了应用于齿轮子口径化学机械抛光的抛光头模块，并采用正交实验法对齿轮子口径化学机械抛光工艺参数进行优化;然后设计了一种双柔性抛光头，通过实验和仿真探究了不同弹簧线径对双柔性抛光头去除函数及表面粗糙度的影响，并揭示了其作用机理，选择了抛光效果最优的抛光头;最后采用上述的抛光头模块，使用最优的双柔性抛光头及选用需要的抛光工艺参数对格里森制螺旋锥齿轮进行子口径化学机械抛光。本文主要研究内容如下：　　（1）齿轮子口径化学机械抛光关键模块设计及工艺参数优化　　首先，针对格里森制螺旋锥齿轮齿面面形复杂多变和轮齿间距狭窄的技术难题，设计了齿轮子口径抛光头模块，其中包括三轴联动平台和抛光头单元两部分，然后根据三轴联动平台的不足之处对其进行加固优化，加固后的三轴联动平台不仅保留了预先调节抛光头单元与待抛光齿轮之间空间位置的功能，而且增大了可调节范围，同时还提高了三轴联动平台的稳定性。（第2章）　　其次，通过正交实验法研究了齿轮钢子口径化学机械抛光工艺参数对抛光后的齿轮钢表面粗糙度及去除深度的影响，包括抛光头转速、抛光头下压量和抛光步长。然后通过方差分析和极差分析方法分析了不同的抛光工艺参数对抛光后的齿轮钢表面粗糙度和去除深度的影响程度，得到不同抛光需求下的最优抛光工艺参数组合。（第 3 章）　　（2）双柔性抛光头设计及其对表面粗糙度的影响机理研究　　首先，针对传统的单柔性抛光头抛光曲面时，无法很好适应曲面形状的难点，设计了一种双柔性抛光头，其双柔性包括抛光垫本身的柔性和抛光头结构柔性，其结构柔性可以通过更换弹簧线径进行调节;然后，通过公式计算和有限元仿真得到了单柔性抛光头和0.6 mm、0.7 mm及0.8 mm弹簧线径的双柔性抛光头对齿轮钢单点抛光的接触压力分布和相对速度分布;再结合各抛光头对齿轮钢单点抛光实验计算各抛光头的Preston 系数，从而得到各抛光头的去除函数及其对表面粗糙度的影响规律。结果表明，一方面0.6 mm弹簧线径的双柔性抛光头去除函数最平滑，有利于降低中频误差，另一方面 0.6 mm 弹簧线径的双柔性抛光头可以获得低的表面粗糙度（高频误差），综合来看，0.6 mm 弹簧线径的双柔性抛光头对齿轮钢的抛光效果最好;最后揭示了弹簧线径对表面粗糙度的影响机理：主要是由于弹簧线径的减小，双柔性抛光头和齿轮钢的接触压力减小，使得磨粒在反应层中产生的犁沟深度减小，从而导致表面粗糙度的降低。（第4章）　　（3）格里森制螺旋锥齿轮材料去除机理及超精密加工工艺研究　　首先，为了防止长时间抛光过程中部分齿面发生腐蚀，优化了抛光液配方，通过系列表征实验研究了抛光液中的过氧化氢和pH值在抛光过程中的化学作用，揭示了材料去除机理;然后，鉴于格里森制螺旋锥齿轮齿面的初始表面粗糙度较大，提出了采用机械研磨和子口径化学机械抛光的两步法对齿面进行超精密加工;接着，采用光栅路径投影至齿面的方法进行抛光路径规划，并通过仿真分析了抛光路径的可行性;最终采用优化后的抛光液和规划好的抛光路径对格里森制螺旋锥齿轮齿面抛光，将齿面的表面粗糙度从1592.51 nm降低至15.79 nm，降低了2个数量级，为齿轮超滑的实现提供了有力支撑。（第5章）

关键词： 直齿轮   有限元   结构参数   啮合性能   齿轮试验  

摘要： 本文以高转速、薄壁结构的航空发动机附件齿轮为研究对象,建立了齿轮-轴-轴承系统的高精度有限元模型,研究了宏观参数对啮合性能的影响,进行了多尺度齿轮副动力学特性分析,并开展了动态弯曲应力的试验研究。主要研究内容有: (1)通过变化齿厚建立了考虑间隙、齿根过渡曲线的齿廓方程;基于多点约束法和分级剖分思想对齿廓表层六面体网格进行细化,利用APDL语言建立了考虑弹性支撑及间隙的齿轮-轴-轴承系统的高精度有限元模型,并验证了该建模方法的准确性和优越性;对比了不同网格密度下的齿面接触应力,给出了直齿轮网格密度的确定方法;研究了摩擦和弹性支撑对高速瞬态啮合性能的影响。 (2)借助高精度齿轮副有限元模型,从单一结构参数变化和多因素组合变化两个角度研究了宏观参数对齿轮啮合性能的影响,其中宏观参数包括齿宽、轮缘厚度、腹板厚度和齿侧间隙;啮合性能包括接触应力、大小齿轮的弯曲应力、接触力等。 (3)基于弹流润滑理论计算了齿面摩擦激励,以直齿轮为例,构建了轴段单元、啮合单元、轴承-基础单元,给出了系统多源激励的数学表征,建立了摩擦学-动力学多尺度齿轮-轴-轴承系统的动力学模型,并研究了结构参数对系统动力学特性的影响。 (4)基于CL-100型封闭式齿轮试验机,制定了齿轮动态弯曲应力的测试方案,并以一对直齿变位齿轮为例开展了不同工况下的试验测试,通过对比分析试验数据及和有限元结果,验证了有限元建模及瞬态特性分析方法。